Погоня за унифицированной теорией иногда трактуется как попытка собрать все силы природы под одним зонтиком и предположить, что существует всего одна «суперсила» и что различные виды взаимодействия в природе (электромагнетизм, гравитация, а также две силы ближнего действия внутри атомного ядра) – это различные аспекты действия этой единой силы. Пока что физикам неплохо удается развивать этот проект унификации. Я уже писал о том, как Ньютон осознал, что сила, заставляющая яблоко упасть с дерева, – та же самая сила притяжения, которая управляет движением небесных тел. В его время, в отличие от теперешнего, это было совсем не очевидно. До Ньютона считалось, что предметы падают на землю потому, что все в мире имеет «тенденцию» перемещаться на свое «естественное» место – к центру мира и что движение Солнца, Луны, планет и звезд подчиняется совершенно различным законам. Ньютоновский закон универсальной гравитации сводит все эти явления воедино, утверждая, что все массы притягиваются друг к другу с силой, пропорциональной квадрату расстояния между ними, независимо от того, идет ли речь о яблоке или о Луне; они притягиваются к Земле с силой, определяемой одной и той же формулой.
Следующий значимый шаг по пути унификации был сделан почти через 200 лет после Ньютона, когда Джеймс Клерк Максвелл доказал, что электричество и магнетизм являются, по сути, двумя сторонами одной и той же электромагнитной силы. Например, в основе электростатического притяжения между кусочком бумаги и надувным шариком, который вы потерли о свою одежду, лежит та же электромагнитная сила, которая притягивает скрепку к магниту. Почти все явления, которые мы наблюдаем в природе, в конечном счете обязаны своим появлением одной из двух сил – силе притяжения или электромагнитной. Поэтому было совершенно естественно, чтобы мы пошли дальше и для обеих сил создали единую теорию.
Мы уже видели, что гравитационное поле – не более чем форма самого пространства-времени, причем само это открытие также основано на идее унификации. Объединив пространство и время, Эйнштейн открыл одну непреложную истину: наблюдатели (сколь бы быстро они ни двигались относительно друг друга) могут одинаково оценивать интервал между двумя событиями только в условиях четырехмерного пространства-времени. Через десять лет его общая теория относительности дала миру новую, более точную картину того, как масса и энергия приводят к искривлению пространства-времени. Однако следующие 40 лет Эйнштейн безуспешно пытался разработать унифицированную теорию, которая объединила бы теорию гравитации с максвелловской теорией электромагнетизма.
Теперь мы знаем, что, кроме гравитации и электромагнетизма, существует еще две силы, сильная и слабая силы ядерного взаимодействия, которые действуют только на микроскопических расстояниях и являются не менее важными фундаментальными законами природы. Именно объединение электромагнитной силы с одной из этих ядерных сил будет следующим шагом в развитии физики в грядущем веке.
Однако этот значительный шаг вперед в нашем понимании природы фундаментальных сил стал возможным только в условиях эволюции квантовой механики от теории, описывающей микрокосм в терминах частиц и волн, к теории, основанной на понятии поля. В главе 3 я кратко затронул это понятие в контексте притяжения и электромагнетизма. Теперь же мы обратимся к подробному анализу понятия квантового поля.
Наверное, у вас создалось впечатление, что, когда около 100 лет назад была выдвинута теория квантовой механики, большинство физиков начали пытаться с ее помощью решать реальные задачи из области физики и химии и только немногие, более философски настроенные, продолжали спорить о том, в чем же ее смысл. Во многих отношениях так оно и было. Однако верно и то, что в течение первой половины XX века квантовая механика продолжала усложняться. К концу 20-х годов основной математический аппарат (уравнения и правила) был уже готов, но Полю Дираку вскоре удалось объединить квантовую теорию со специальной теорией относительности Эйнштейна. А еще он свел воедино квантовую механику и теорию электромагнитного поля Максвелла, впервые получив в результате квантовую теорию поля. Последняя со временем превратилась в мощный и точный способ описания электромагнитного взаимодействия материи со светом на квантовом уровне.
