Квантовая теория поля Дирака объясняет, каким образом электроны испускают и поглощают фотоны и каким образом два электрона отталкиваются друг от друга не с помощью какой-то невидимой силы, а посредством обмена фотонами. К 1930-м годам различие между физикой частиц и физикой поля на квантовом уровне было сведено на нет. Таким образом, как фотоны, подобно частицам, являются проявлением электромагнитного поля, сгустками чистой энергии в квантовом масштабе, так и локализованные частицы материи, такие как электроны и кварки, являются просто проявлением связанного с ними квантового поля. Однако, в отличие от случая с фотонами и электромагнитными полями, для материальных частиц это не так уж очевидно. Причина в том, что фотоны могут объединяться в неограниченных количествах, тогда как материальные частицы, вроде электронов и кварков, менее склонны к образованию связей. Это обусловлено законом квантовой механики под названием «принцип запрета Паули», согласно которому никакие две материальные частицы не могут одновременно занимать одно и то же квантовое состояние. А это, в свою очередь, означает, что наблюдать действие квантовых полей не так уж просто.
К концу 1940-х годов наконец-то были решены математические проблемы, связанные с описанием квантовых полей и получила свое завершение квантовая электродинамика (КЭД). До сего дня эта теория считается самой точной из всех научных теорий. Кроме того, на фундаментальном уровне она может объяснить почти все вокруг нас, поскольку на ней основана вся химия и природа материи – начиная с того, как работают микрочипы в моем ноутбуке, и кончая нейронами, испускающими разряды в нашем мозге, которые отправляют пальцам сигнал и заставляют их стучать по клавиатуре. Все это потому, что КЭД обусловливает любые взаимодействия в атоме.
И все же, несмотря на свое всевластие, КЭД описывает только одну из природных сил – электромагнетизм.
В конце 50-х – начале 60-х годов для объединения КЭД и полевой теории слабого ядерного взаимодействия физики пользовались прекрасным, но сложным математическим аппаратом. Они доказали, что слабое взаимодействие на фундаментальном уровне также генерируется посредством обмена частицами, что эквивалентно той роли, которую в электромагнитной силе играет обмен фотонами. Сегодня у нас есть унифицированная теория, описывающая единое «слабое» электрическое взаимодействие, которое через процесс под названием «нарушение симметрии» распадается на два различных физических процесса: электромагнетизм (проявляющийся через обмен фотонами) и слабое взаимодействие, возникающее в связи с обменом бозонов W и Z. Последние были позже, в 1983 году, обнаружены в ЦЕРН (Европейская организация по ядерным исследованиям) и с тех пор активно изучаются. Распад на две силы (нарушение симметрии) связан с действием еще одного поля под названием «поле Хиггса», которое обеспечивает массой частицы W и Z, тогда как фотоны остаются лишенными массы. Эта унификация означает, что на фундаментальном уровне четыре силы природы сводятся к трем: слабой электрической силе, сильному ядерному взаимодействию и силе притяжения (которая согласно общей теории относительности вообще не является силой). Не знаю, насколько все вышесказанное поможет вам понять данную проблему.
В то же время была разработана другая квантовая теория поля, которая описывала сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протонов и нейтронов. Своеобразие сильного взаимодействия заключается в том, что оно связано со свойством под названием «изменение цвета», которое стоит здесь кратко пояснить. Подобно тому как частицы, подверженные действию электромагнитной силы, могут иметь два разных типа электрического заряда, который мы обычно называем положительным или отрицательным[26],частицы, которые подвержены влиянию сильного взаимодействия (кварки), могут иметь три типа зарядов, которые называются цветовыми, чтобы отличить их от электрических. Замечу, что цвет здесь нельзя воспринимать буквально. Три, а не два типа цветовых зарядов (по аналогии с электрическими) понадобились для того, чтобы объяснить, почему каждый протон и нейтрон должен содержать по три кварка; аналогия с цветом была выбрана, так как именно три цвета (красный, синий и зеленый) при наложении друг на друга образуют белый. Так, каждый из трех кварков в протоне или нейтроне несет свой цветовой заряд – красный, синий или зеленый, образуя в результате частицу, которая оказывается бесцветной.
