До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной - Брайан Грин

Во время долгой пешей прогулки по окраинам Эдинбурга молодой Питер Хиггс решил загадку, ставившую в тупик исследователей всего мира. В то время математические описания сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, а также частиц вещества, на которые влияют эти взаимодействия, стремительно сближались. Работая плечом к плечу, теоретики и экспериментаторы писали квантовомеханическое руководство, разбирающее механизмы функционирования микромира. Но было одно явное упущение. Уравнения не могли объяснить, как фундаментальные частицы обрели массу. Почему так получается, что если толкать элементарные частицы (такие, как электроны или кварки), то почувствуешь их сопротивление приложенным усилиям? Это сопротивление отражает массу частицы, но уравнения, казалось, рассказывали иную историю: исходя из математики, частицы должны быть безмассовыми и, следовательно, не должны оказывать никакого сопротивления. Надо ли говорить, что несоответствие между реальностью и математикой сводило физиков с ума.

Причина, по которой математика, кажется, разрешала только безмассовые частицы, довольно сложна, но сводится в конечном итоге к симметрии. Как бильярдный шар со всех сторон выглядит одинаково, так уравнения, описывающие элементарные частицы, выглядят одинаково при замене одного математического слагаемого на другое. В каждом случае нечувствительность к изменению — ориентации для бильярдного шара или математической перестановки для уравнений — отражает высокую степень базовой симметрии. Симметрия бильярдного шара гарантирует, что он будет катиться равномерно. Симметрия уравнений гарантирует гладкость их математического анализа. Как поняли специалисты по физике элементарных частиц, без симметрии уравнения стали бы противоречивыми и выдали бессмысленный результат, такой как единица, деленная на ноль. Отсюда загадка: анализ показал, что та же математическая симметрия, которая гарантирует правильные уравнения, требует также, чтобы частицы были безмассовыми (это, возможно, не удивительно, поскольку ноль сам по себе есть очень симметричное число, сохраняющее свое значение при умножении или делении на любое другое число).

Именно здесь в дело вступил Хиггс. Он заявил, что, объективно говоря, частицы действительно не имеют массы, в точности как того требуют безупречно симметричные уравнения. Однако, продолжал Хиггс, попав в этот мир, частицы обретают массу в результате влияния среды. Хиггс вообразил, что пространство заполнено невидимой субстанцией, известной теперь как поле Хиггса, и что частицы, которые двигаются через это поле, испытывают на себе действие силы сопротивления, напоминающей ту, что испытывает летящий в воздухе легкий мячик. Хотя такой мячик почти ничего не весит, если держать его за окном автомобиля, едущего на все более высокой скорости, то от вашей руки это потребует серьезных усилий: мячик покажется вам массивным, потому что ему приходится преодолевать сопротивление воздуха. Аналогично, предположил Хиггс, когда толкаешь частицу, она ощущается массивной, потому что преодолевает сопротивление хиггсовского поля. Чем тяжелее частица, тем сильнее она сопротивляется вашему усилию, и это, согласно Хиггсу, означает, что частица испытывает более сильное сопротивление со стороны этого пронизывающего пространство поля14.

Если вы пока незнакомы с понятием поля Хиггса, но внимательно прочли все предыдущие главы, эта идея, возможно, не покажется вам особенно экзотичной. Современная физика уже привыкла к идее о невидимых субстанциях, заполняющих пространство, — нынешней версии древнего эфира. От инфляционного поля, которое, возможно, было движителем Большого взрыва, до темной энергии, отвечающей, возможно, за измеренное ускоренное расширение Вселенной, физики последних нескольких десятилетий не стесняются предполагать, что пространство заполнено чем-то невидимым. Но в 1960-е гг. такая идея казалась весьма радикальной. Хиггс предполагал, что, если бы пространство на самом деле было пустым в традиционном и интуитивном смысле, частицы вовсе не имели бы массы. Поэтому он заключил, что пространство, должно быть, не пусто, а необычная субстанция, которую оно вмещает, должна обладать как раз подходящими свойствами для насыщения частиц их очевидной массой.

Первая статья, в которой Хиггс изложил свою новую гипотезу, была сразу же отвергнута. «Мне сказали, что все это чепуха», — вспоминает Хиггс реакцию15. Но те, кто давал себе труд тщательно разобраться в этой идее, понимали ее достоинства, и идея постепенно получала распространение. В конечном итоге она была полностью принята. Я впервые встретился с гипотезой Хиггса в 1980-е гг., на выпускном курсе, и преподносилась она с такой уверенностью, что некоторое время я даже не понимал, что гипотеза еще не подтверждена экспериментально.

Стратегию проверки этой гипотезы настолько же легко описать, насколько трудно реализовать. Когда две частицы, скажем два протона, сталкиваются на высокой скорости, такое столкновение должно по идее потрясти окружающее хиггсовское поле. Теоретически при случае это может отбить крохотную капельку поля, которая проявит себя как элементарная частица нового типа — частица Хиггса; нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек называет это «осколком вакуума». Таким образом, обнаружение этой частицы означало бы несомненное доказательство гипотезы. Эта цель на протяжении более чем 30 лет вдохновляла исследования, в которых участвовало более 3000 ученых из более чем трех дюжин стран. В этих исследованиях использовался самый мощный в мире ускоритель частиц стоимостью более $15 млрд.

О завершении этой одиссеи, о котором объявили на той пресс-конференции в американский День независимости, просигналил крохотный бугорок на гладком в остальном графике, построенном по данным Большого адронного коллайдера; именно он стал экспериментальным подтверждением того, что частица Хиггса найдена.

Это чудесный эпизод в анналах человеческих открытий; он углубляет наши представления о свойствах частиц и подкрепляет уверенность в способности математики обнажать скрытые аспекты реальности. Но для нашего путешествия по космической шкале времени хиггсовское поле важно по особой причине — в какой-то момент в будущем его значение может измениться. И примерно как лобовое сопротивление, которое испытывает легкий мячик, изменилось бы, если бы изменилась плотность воздуха на его пути, так и массы фундаментальных частиц изменились бы, если бы изменилось значение хиггсовского поля, с которым они встречаются. Любые подобные изменения, кроме самых крохотных, почти наверняка разрушили бы реальность, какой мы ее знаем. Атомы, молекулы и структуры, которые они образуют, сильнейшим образом зависят от свойств составляющих их частиц. Солнце сияет благодаря физическим и химическим свойствам водорода и гелия, которые зависят от свойств протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов. Клетки делают то, что делают, в основном благодаря физическим и химическим свойствам их молекулярных составляющих, которые, опять же, зависят от свойств фундаментальных частиц. Если изменить массы фундаментальных частиц, их поведение тоже изменится; по существу, изменится в той или иной степени все.

Множество лабораторных экспериментов и астрономических наблюдений установили, что для большей части, если не для всех прошедших 13,8 млрд лет массы фундаментальных частиц оставались постоянными, так что и значение хиггсовского поля оставалось стабильным. И все же, даже если существует лишь крохотная вероятность того, что в будущем хиггсовское поле может скачком принять другое значение, эта вероятность будет усилена громадными промежутками времени, которые мы теперь рассматриваем, и превратится в почти полную уверенность.