Остров знаний. Пределы досягаемости большой науки - Марсело Глейзер

Для полноты картины нам требуется еще один элемент: фактор, запускающий изменения в свойствах частиц и превращающий их из безмассовых при высоком уровне энергии (высоком смещении) в массивные при низком (то есть в нормальном состоянии). Согласно нашим сегодняшним знаниям о физике частиц, выраженным в так называемой стандартной модели, этим фактором является еще одна частица, знаменитый бозон Хиггса. О его открытии в июле 2012 года объявили ученые, работавшие на Большом адронном коллайдере.

Для того чтобы понять, как бозон Хиггса воздействует на другие частицы, можно представить его в качестве своего рода среды, в которой они движутся. Звучит как старый добрый электромагнитный эфир, но это не совсем так. Традиционно эфир представлялся как нечто неизменное и инертное, в то время как бозон Хиггса может изменяться и взаимодействовать с обычной материей. Подобно обычным частицам материи, он также изменяет свои свойства при разных температурах. Современные модели физики частиц используют колебания свойств бозона Хиггса для того, чтобы изменять характеристики частиц материи. Возвращаясь к образу бозона Хиггса как среды (вроде воздуха или меда), нужно сказать, что при высоких температурах эта среда, по сути, прозрачна и материя проходит сквозь нее, не встречая преград. Это его безмассовая фаза. При более низких температурах «среда» сгущается и частицам материи требуется больше усилий, чтобы пройти сквозь нее. Благодаря этой вязкости среды кажется, что масса частиц растет. Вот почему часто говорят, что бозон Хиггса «придает массу» частицам.

Давайте перейдем к тому, почему кварки, электроны и другие частицы, входящие в стандартную модель, обладают разными массами. Дело в том, что они чувствуют присутствие бозонов Хиггса с разной интенсивностью. Чем сильнее чувствительность частицы к нему, тем выше ее масса в нормальной фазе. В математическом выражении стандартной модели эту чувствительность называют интенсивностью, с которой каждая частица взаимодействует с бозоном Хиггса. К примеру, топ-кварк, самый тяжелый из кварков и в целом из известных нам элементарных частиц, имеет массу, в 399 216 раз превосходящую массу электрона. Поэтому мы можем сказать, что он сильнее взаимодействует с бозоном Хиггса. Исключением является фотон, который вообще не вступает во взаимодействие с бозоном и потому не имеет массы.

Вооруженные образом бозона Хиггса как среды, мы можем забыть обо всех частицах, которые взаимодействуют с ним, и просто представить его в роли мяча, катящегося вверх или вниз по склону холма. Чем ближе к вершине, тем дальше бозон от своей нормальной фазы и тем выше его смещенная энергия. Вселенная, наполненная бозонами Хиггса в такой фазе, будет стремительно расширяться. По мере того как бозон скатывается вниз по склону к своему минимальному значению энергии, ускорение уменьшается. Так происходит до тех пор, пока он полностью не остановится.

Итак, этот простой образ мяча, катящегося по склону холма, должен помочь нам понять невероятную концепцию множественной Вселенной. Давайте рассмотрим ее поближе.

Читатели наверняка заметили, что я делаю различие между понятиями «Вселенная» и «вселенная». Поначалу это кажется всего лишь незначительной деталью. Однако дело в том, что современная космология вполне серьезно рассматривает возможность существования более чем одной вселенной. Вот почему разница в написании все-таки важна. Я использую слово «Вселенная» с заглавной буквы для обозначения нашего видимого космоса и всего, что в нем находится, известно оно нам или нет. Иными словами, термин «Вселенная» обозначает все то, что существует в пределах нашего космического горизонта. Вселенная – это наш дом, построенный из причин и следствий. Как мы уже знаем, рассчитанная на основании измерений плоскость видимого космоса может означать, что наша Вселенная продолжается и за пределами горизонта – все дальше и дальше, вплоть до бесконечности, которая недоступна для измерения нашим приборам. В связи с этим хотелось бы расширить понятие Вселенной на это потенциальное бесконечное пространство. Но я должен строго придерживаться правила «Мы знаем лишь то, что можем измерить». Соответственно, наша Вселенная может быть лишь частью потенциально бесконечной Вселенной. Более того, по соседству с нами могут находиться и другие вселенные – и их может быть много.

Согласно Оксфордскому словарю английского языка, вселенная – это «совокупное обозначение всей существующей материи, пространства, времени, энергии и т. д., в частности, как систематического или упорядоченного целого; все творение, космос». Характеристика «все существующее» тут же усложняет дело. Если под этим подразумевается действительно все то, что существует в реальности, то Оксфордский словарь должен был бы включить в свое определение все другие участки пространства, которые могут существовать, но быть отделены от нас пространственно-временным барьером. В таком случае вселенная будет представляться единым целым, а любой участок пространства, в том числе доступный нам, – ее составной частью. Однако если поискать в словаре понятие «Мультивселенная», можно наткнуться на довольно странное определение: «гипотетическое место или пространство, состоящее из некоторого количества вселенных, одной из которых является наша Вселенная».[71] Итак, если Мультивселенная существует, то наша Вселенная уже не может рассматриваться как совокупность «всей существующей материи, пространства, времени, энергии и т. д.». Наоборот, такое определение можно дать как раз Мультивселенной, а наша Вселенная окажется лишь ее частью, одной из (возможно, бесконечного) множества «островных вселенных», существующих одновременно. Еще больше усложняет дело тот факт, что вселенная, даже будучи частью Мультивселенной, все равно может быть пространственно бесконечной. Бесконечность является частью еще большей бесконечности, как входит в. В современной космологии, как и в математике, могут существовать разные типы бесконечностей.

Перед тем как мы пойдем дальше, позвольте мне объяснить, как такая идея, как совокупность различных вселенных, часть из которых, возможно, бесконечна, вообще может иметь смысл. Для того чтобы это было проще визуализировать, давайте ограничимся двумя измерениями. Представьте себе плоскую столешницу, которая имеет огромную длину и ширину. Если значения ее длины и ширины не ограничены, значит, наша столешница – это плоский бесконечный космос. В этой бесконечной вселенной могут жить крошечные плоские амебообразные существа. Теперь представьте, что у вас есть две столешницы, которые расположены параллельно друг другу, но не соприкасаются. Пускай вторая столешница тоже будет бесконечной, а на ее поверхности тоже будут жить плоские существа (в конце концов, все это происходит у вас в голове). Теперь представьте, что столешницы соединены в одном месте узким туннелем. Теперь у нас имеется два бесконечных пространства с точкой соединения. Существа, живущие в каждом из них, не имеют доступа к туннелю и верят, что их вселенная уникальна и бесконечна, особенно если туннель находится за их космическим горизонтом. Они никогда не узнают, что их вселенные являются элементами гораздо большей структуры – мультивселенной. А вы легко можете себе представить множество столешниц, расположенных одна над другой и соединенных переходами, которые недоступны их обитателям. Продолжайте этот ряд до бесконечности, и у вас в голове возникнет бесконечная двухмерная мультивселенная!