Хотя в научных кругах и принято утверждать, что Стандартная Модель с высочайшей точностью описывает все (кроме гравитации) взаимодействия и явления в окружающем нас мире с помощью совсем небольшого набора частиц, реальная картина, как видим, оказывается не столь благолепной.

Например, СМ вообще никак не объясняет сверхпроводимость – ни загадочную высокотемпературную, ни давно, вроде бы, понятную низкотемпературную. Теория сверхпроводимости Бардина-Купера-Шриффера (BSC) появилась примерно лет за 20 до создания Стандартной Модели и продолжает использоваться по сию пору, поскольку в терминах частиц Стандартной Модели внятной теории для этого явления так и не создано. По этой причине при анализе и моделировании сверхпроводимости не принято оперировать кварками-глюонами-бозонами, но зато общепринятой является концепция квазичастиц фононов.

Под квазичастицей понимают локальное возмущение в среде, которое ведет себя подобно частице и которое зачастую удобно трактовать именно таким образом. Типичными примерами квазичастиц являются вихрь или уединенная волна (солитон), а простейшей наглядной аналогией квазичастицы может служить пузырек газа в бокале шампанского.

Такой пузырек, строго говоря, не является независимым объектом – это просто вытеснение некоторого объема жидкости углекислым газом. Однако этот пузырек на протяжении долгого времени сохраняет свою «идентичность», то есть целостность и определенные свойства, когда движется в среде или всплывает на поверхность. Подобно квазичастице, пузырек имеет характерные свойства объекта – размеры, форму, энергию, импульс. В зависимости от обстоятельств, пузырьки в шампанском могут либо упруго отскакивать друг от друга, либо формировать гроздья и пену. Аналогичное поведение характерно и для квазичастиц в физических системах, будь то в реальных экспериментах или теоретических моделях.

*

Из школьного курса физики концепция квазичастиц прекрасно всем знакома благодаря полупроводникам, при изучении свойств которых наравне с реальными электронами, носителями отрицательного заряда, очень удобно использовать виртуальные «дырки», носители положительного заряда. Этот же по сути прием продолжают широко применять и ныне в таких областях, как ядерная физика и физика твердого тела, поскольку введение в теорию квазичастиц, вроде спинонов, холонов, фононов, экситонов, поляронов и так далее, оказывается весьма полезным при установлении и предсказании свойств материи.

Но при этом на квазичастицы можно ведь посмотреть и с несколько иной стороны. И тогда бесспорная успешность и высокая эффективность этой концепции, сугубо абстрактной по своей природе, дает физикам основания для сильных подозрений, что и все прочие, «реальные» частицы в действительности тоже могут быть возмущениями в некой среде, лежащей в основе всего, а значит и они в конечном счете являются квазичастицами. Причем для подозрений таких имеются очень серьезные основания и в математическом фундаменте теории.

Если при помощи обычных слов обрисовать модель протона и нейтрона, получающуюся из уравнений Стандартной Модели, то картина для этих частиц, на которые приходится свыше 99,9 % массы окружающей нас материи, выглядит примерно так. Протон (и нейтрон) состоит из трех кварков, но при этом на долю кварков приходится чрезвычайно мало – всего два процента или около того – от общей массы протона.

Кварки стремительно кружат с почти световой скоростью внутри протона, погруженные в мерцающие облака из других частиц. Отчасти это иные кварки, которые материализуются лишь на совсем краткие мгновения, а затем исчезают. Но главным же образом это глюоны, которые «передают силу, связывающую кварки вместе». Глюоны безмассовы и неуловимы, но из теории следует, что именно они несут основную часть энергии протона. А поэтому при разговорах о составе протона или нейтрона более корректно говорить, что они состоят не из кварков, а скорее из глюонов (которые, следует подчеркнуть, вообще не имеют массы покоя).

**

Комментируя эту озадачивающую картину, Фрэнк Вилчек, лауреат нобелевской премии по физике за 2004 год, в одном из сравнительно недавних интервью сказал примерно так. Чем пристальнее вы вглядываетесь, тем больше обнаруживаете, что протон распадается на множество частиц, каждая из которых несет очень, очень мало энергии. А те элементы реальности, которые порождают всю эту вещь – кварки – оказываются совершенно крошечными штуковинами в середине облака. По сути дела, если вы проследите за эволюцией всего процесса до бесконечно коротких расстояний, то запускающий все импульс уходит в нуль, зеро. Если действительно как следует изучать соответствующие уравнения, говорит Вилчек, то картина становится почти мистической.[1]

Таким образом, формирующие весь наш мир кирпичики материи при попытках пристального рассмотрения «почти мистическим» образом исчезают в ничто. Но при этом не подлежит сомнению, что каждая частица в ядре атома представляет собой стремительное и яростное вращение энергии. Выражаясь образно, это словно никогда не затихающий мощный грозовой тайфун, заключенный внутрь сосуда размером с одну триллионную долю сантиметра.

По словам Фрэнка Вилчека, это чрезвычайно богатая и динамичная структура, поэтому ученым особо приятно, что у них имеется теория, которая может воспроизводить все это на строгом математическом языке. Конечно, куда менее приятно, что вместе с повышением точности уравнений загадочно исчезают и превращаются по сути дела в иллюзию собственно частицы – основа материи и всех сил природы, охваченных Стандартной Моделью.

Однако, при взгляде на проблему с несколько иной стороны, этот «неудобный» результат может оказаться сигналом и указателем на что-то принципиально важное, но пока упускаемое. Если, скажем, вспомнить, что концепция силы тяготения как иллюзии является одной из ключевых в Общей теории относительности, то намечается несколько необычный путь объединения ОТО и квантовой физики. А именно, считать иллюзией все четыре фундаментальных взаимодействия, а не только гравитацию.

***

Для столь странной, на первый взгляд, идеи в действительности имеется множество оснований. Само понятие «силы» присутствует в классической физике, по сути дела, неявным образом. Силой оперируют без четкого определения, что это такое – просто как некой полезной величиной в уравнениях.

В Стандартной Модели, как вершине новой квантовой физики, все силы природы сведены к трем фундаментальным силам, единообразно описываемым как обмен частицами-переносчиками взаимодействий. Гравитация в такую же схему упорно не вписывается. Но при этом замечательно объясняется в неквантовой ОТО – где «сила тяготения» трактуется как естественное движение объектов в условиях геометрии пространства-времени, искривленного массивными телами.

Подавляющее большинство попыток объединения квантовой физики и ОТО так или иначе сводится к теориям в духе Стандартной Модели, то есть квантованию силы тяготения с помощью гипотетических частиц-переносчиков «гравитонов». Гораздо менее популярны идеи о том, чтобы, напротив, искать пути к новому описанию квантовой физики с позиций ОТО. Но такие пути заманчивы уже по той, хотя бы, причине, что уравнения ОТО верны для всех частиц природы – с массой и безмассовых, электрически заряженных и нейтральных, участвующих как в сильных, так и в слабых взаимодействиях. Короче – для всех видов энергии.

Картина Стандартной Модели, как известно, выглядит существенно иным образом. Одни частицы нужны для электромагнитных взаимодействий, другие для сильных ядерных, третьи для слабых, при увеличении же энергии взаимодействий появляются новые поколения «фундаментальных частиц». По этим причинам вполне логично попытаться взглянуть на всю эту картину иначе – в духе идеи «силы как иллюзия».

[1] Robert Kunzig. “The Glue That Holds the World Together”. Discover, Vol 21, No 07, July 2000