Гейзенберг с Хансом- Петером Дюрром обсуждают единую теорию поля.
Основные усилия Гейзенберг направил на создание единой теории поля. Эйнштейн также посвятил последние годы жизни попыткам построить единую теорию электромагнитного поля и поля тяготения. Обе эти попытки оказались неудачными. В чем же причина интереса к единой теории? После того как ученым удается связать непохожие на первый взгляд явления, за этим часто следует значительный прогресс в науке. К примеру, явления, происходящие на Земле, в частности падение предметов, и явления, которые происходят в космосе, к примеру движение планет Солнечной системы, объясняются одним и тем же законом всемирного тяготения. Таков итог мифической истории о яблоке и Ньютоне, которому, можно сказать, удалось создать первую единую теорию. В XIX веке стало понятно, что электричество и магнетизм подобны двум сторонам одной медали и порождаются электромагнитным полем. Эти явления удалось объединить с появлением уравнений Максвелла, а электромагнитные волны, предсказанные в этих уравнениях, были открыты в конце XIX века. Почти сразу после этого было изобретено радио.
С концептуальной точки зрения важно объяснить как можно больше явлений как можно меньшим числом гипотез. Именно по этой причине ведутся поиски единых теорий, однако это не означает, что подобные теории существуют. Эйнштейн пытался объединить свою общую теорию тяготения и электромагнетизм, однако ему, как и его последователям, это не удалось. Говоря о поле, мы имеем в виду функцию, описывающую некоторую величину, например силу тяжести, в любой точке пространства в любой момент времени.
Существует четыре фундаментальных взаимодействия: электромагнитное, гравитационное, сильное и слабое. Два первых наблюдаются на любом расстоянии между телами и частицами, сильное и слабое взаимодействие – лишь на микро-уровне, когда расстояния между частицами сопоставимы с размером атомного ядра.
1.Электромагнитное взаимодействие стало первым взаимодействием, описанным с помощью квантовой теории поля, которая одновременно была квантовой и релятивистской. В 1940-е годы была создана квантовая электродинамика, в которой взаимодействие между двумя частицами представлено как результат обмена фотонами. Примерно 20 лет спустя настала очередь слабого взаимодействия, которое было объединено с электромагнитным. Теперь эти два взаимодействия объединены общим названием электрослабого взаимодействия. В этой единой теории взаимодействие осуществляется посредством трех новых частиц: ИЛ, ИЛ и Z0 . Открытие этих частиц в 1980-е годы подтвердило правильность теории электрослабого взаимодействия.
2. Квантовая теория поля, описывающая сильные взаимодействия, называется квантовой хромодинамикой. Ее корректность была подтверждена множеством экспериментов начиная с 1970-х годов. В сильном взаимодействии участвуют кварки и частицы, состоящие из кварков, например протоны и нейтроны, которые обмениваются между собой другими частицами – глюонами. Было предпринято несколько попыток объединить квантовую хромодинамику и теорию электрослабого взаимодействия, однако поскольку в этих теориях рассматриваются колоссальные энергии, ни одну из них пока не удалось подтвердить экспериментально.
3. Гравитационное взаимодействие является самым слабым из всех фундаментальных взаимодействий, поэтому при изучении элементарных частиц им пренебрегают. Однако это взаимодействие наблюдается повсеместно и проявляется в виде сил притяжения на любом расстоянии. По этой причине гравитационное взаимодействие имеет огромное значение в космическом масштабе, хотя создать убедительную квантовую теорию тяготения до сих пор не удалось. Наиболее многообещающими в этом отношении являются теории суперструн, впрочем, до создания окончательной теории еще очень далеко.
Можно сказать, что целью поисков Эйнштейна было уравнение, в котором гравитация и электромагнетизм описывались бы одной функцией, то есть одним полем, как два аспекта одного явления.
В 1950-е годы Гейзенберг предпринял попытку унифицировать взаимодействия между элементарными частицами. Он исключил из рассмотрения гравитацию, поскольку силой тяготения между элементарными частицами по сравнению с тремя другими взаимодействиями можно пренебречь. Помимо электромагнитного взаимодействия, существует сильное взаимодействие, которое играет роль клея, соединяющего протоны и нейтроны в ядрах, и слабое взаимодействие, являющееся причиной бета-распада. Толчком к исследованиям в этом направлении для Гейзенберга стали последние результаты наблюдений космических лучей, предсказанные им за много лет до этого. При столкновении космических лучей с атомами атмосферы образуется множество элементарных частиц различных типов, которые участвуют в трех упомянутых выше фундаментальных взаимодействиях.
Гейзенберг взял за основу общие рассуждения, касающиеся симметрии в квантовой и релятивистской теории, чтобы обобщить три фундаментальных взаимодействия и описать их одним полем. Он обратился к Паули, однако их сотрудничество продолжалось лишь несколько лет, поскольку первоначальный интерес Паули уступил место растущему скептицизму, и в конечном итоге он прекратил работу над проектом. Спустя некоторое время Гейзенберг также вынужден был оставить работу над этой теорией. Мы знаем, что в то время были неизвестны многие свойства частиц, которые позднее сыграли важнейшую роль в попытках создать новые единые теории.
Из предыдущих глав этой книги можно понять, что биография Гейзенберга в значительной степени переплетается с историей развития квантовой механики. Однако чтобы у читателя сложилось объективное представление о Гейзенберге, следует, пусть и коротко, немного рассказать о его частной жизни.
В конце января 1937 года на музыкальном вечере молодой ученый познакомился с Элизабет Шумахер. Как они позднее рассказывали детям, любовь вспыхнула, когда Гейзенберг исполнил Трио для фортепиано соль мажор Бетховена. Последовавший разговор, в котором Вернер и Элизабет обменялись восторженными отзывами о медленном и плавном исполнении этого произведения, стал началом будущей семейной идиллии.
Эта встреча решительно изменила нашу жизнь. Мы оба почувствовали, что нашли свою судьбу.
Десять дней спустя Вернер и Элизабет условились о помолвке, а спустя три месяца поженились. У них было семеро детей – три сына и четыре дочери. Первые их воспоминания об отце относятся к 1946 году. До этого они не помнили чего-то интересного об ученом, который большую часть времени отсутствовал.
Дети упоминают три стороны личности отца, связанные с работой, природой и музыкой. В будние дни во время семейных ужинов Гейзенберг практически всегда молчал. Дети знали, что их отец – великий ученый, и думали, что он размышляет о важных делах, далеких от повседневной жизни. Гейзенберг редко вмешивался в домашние хлопоты, которыми занималась жена. Однако в выходные дни он преображался. Семейные вылазки на природу в окрестностях Гёттингена стали традицией. Гейзенберг организовывал для детей игры и словно вновь переживал прогулки с группой юных скаутов. Ученый редко предавался воспоминаниям, но часто и с особым воодушевлением рассказывал о своем участии в скаутском движении и среди немногих советов, данных детям, особенно настаивал на двух: они должны были вступить в какую-нибудь группу бойскаутов, чтобы изучать природу, а также заниматься музыкой. Музыка была настоящей страстью Гейзенберга, и музыкальным вечерам в его семье всегда придавалось большое значение.
Фортепианный репертуар Гейзенберга состоял из сольных произведений для фортепиано и камерной музыки. Дочь Гейзенберга Барбара Блум рассказывает, что на 60-летие ученого члены его семьи и друзья приготовили ему прекрасный подарок: они собрали любительский оркестр из друзей и знакомых, чтобы Гейзенберг смог сыграть один из своих любимых концертов – концерт № 20 для фортепиано с оркестром Ре минор Моцарта. Вечер запомнился всем участникам, и десять лет спустя Гейзенберга ждал еще больший сюрприз: симфонический оркестр баварского радио предложил ему вновь сыграть этот же концерт. Этот эпизод помогает в полной мере понять, каким авторитетом пользовался Гейзенберг в обществе. Но сюрприз на этом не закончился: к еще большему удивлению Гейзенберга, друзья сказали, что хотят записать концерт. Однако подготовка ограничилась одной репетицией – Гейзенберг понял, что его музыкальные способности уступают научным. По рассказам Барбары, ранее отец обычно пропускал несколько нот в сложных пассажах или замедлял ритм, не нарушая стройности произведения, что было допустимо для музыканта-любителя, но немыслимо при исполнении под аккомпанемент профессионального оркестра. После репетиции Гейзенберг сказал музыкантам, что ему нужно много репетировать – до этого он не представлял, насколько быстро нужно исполнять это произведение двумя руками одновременно. Тем не менее дирижер и оркестранты оценили уровень игры Гейзенберга, который справился с самыми сложными пассажами, и эта первая и единственная репетиция доставила удовольствие всем ее участникам.