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

Физика, имеющая непосредственное отношение к хиггсовскому скачку, называется квантовым туннелированием; чтобы понять суть этого процесса, лучше для начала рассмотреть его в более простых условиях. Поместим маленький шарик в пустой бокал для шампанского, и, если никто не будет этот бокал трогать, логично будет ожидать, что шарик в нем и останется. В конце концов, он огражден со всех сторон и не обладает достаточной энергией, чтобы взобраться по стеклянным стенкам и сбежать. Не обладает он также достаточной энергией, чтобы пробиться прямо через стекло. Аналогично, если поместить электрон в ловушку, напоминающую по форме бокал для шампанского, оградив его барьерами со всех сторон, также можно будет ожидать, что он останется на месте. В самом деле большую часть времени так и происходит. Но иногда электрон ведет себя иначе. Иногда он исчезает из ловушки и заново материализуется уже снаружи.

Каким бы удивительным подобный трюк, достойный Гудини, ни был для нас, в квантовой механике это дело обычное.

Воспользовавшись уравнением Шредингера, можно вычислить вероятность того, что электрон будет обнаружен в той или другой локации, к примеру внутри или снаружи ловушки. Математика показывает, что чем серьезней ловушка — чем выше и толще ее стенки, — тем меньше вероятность того, что электрон улизнет. Но, и это ключевой момент, для того чтобы вероятность была нулевой, ловушка должна быть бесконечно толстой или бесконечно высокой; в реальном мире такого просто не бывает. А ненулевая вероятность, какой бы крохотной она ни была, означает, что, если подождать достаточно долго, рано или поздно электрон все же окажется на другой стороне.

Наблюдения это подтверждают. Именно такой переход через барьер мы и подразумеваем, когда говорим о «квантовом туннелировании».

Я описал квантовое туннелирование в терминах проникновения частицы сквозь барьер, изменения ее положения со «здесь» на «там», но это может быть и проникновение поля сквозь барьер, и изменение его значения с «этого» на «то». Такой процесс с участием хиггсовского поля может определить долгосрочную судьбу Вселенной.

В традиционных физических единицах нынешнее значение поля Хиггса равно 24616. Почему 246? Никто не знает. Но силы лобового сопротивления, которые обеспечивает хиггсовское поле с таким значением (вместе с конкретным способом взаимодействия каждой частицы с ним) успешно объясняет массы фундаментальных частиц. Но почему величина поля Хиггса остается стабильной миллиарды лет? Ответ: мы считаем, что значение поля Хиггса, подобно шарику в бокале или электрону в ловушке, ограждено со всех сторон внушительными барьерами: если бы величина поля Хиггса попыталась измениться с 246 на другое значение, большее или меньшее, этот барьер загнал бы ее обратно к первоначальному значению, примерно как шарик вынужден был бы вернуться на дно бокала, если бы кто-то качнул бокал. И если бы не квантовые соображения, значение хиггсовского поля всегда оставалось бы равным 246. Но, как обнаружил в середине 1970-х гг. Сидни Коулмен, квантовое туннелирование меняет ситуацию 17.

Точно так же, как квантовая механика позволяет электрону иногда туннелировать из ловушки, так она разрешает и величине поля Хиггса туннелировать сквозь барьер. Если бы это произошло, хиггсовское поле не изменило бы свое значение во всем пространстве одновременно. Вместо этого хиггсовское поле сделает свой ход в какой-то крохотной области, выделенной случайной природой квантовых событий; в этой области поле туннелирует через барьер и примет другое значение.

Затем, примерно как шарик, который туннелирует сквозь стенку бокала, опускаясь при этом ниже своего первоначального положения, значение хиггсовского поля тоже опустится на более низкий энергетический уровень. После этого поле в близлежащих локациях, отзываясь на манящий зов более низкой энергии, также будет совершать этот переход — начнется своеобразный эффект домино, благодаря которому возникнет расширяющаяся сфера, внутри которой значение хиггсовского поля будет уже измененным.

Внутри этой сферы новое значение поля вызовет изменение массы частиц, так что знакомые свойства физики, химии и биологии перестанут действовать. Вне сферы, где значению поля Хиггса только еще предстоит измениться, частицы сохранят свои обычные свойства, и все будет выглядеть нормально. Анализ Коулмена показал, что граница сферы, отмечающая переход от старого значения поля к новому, будет раздвигаться со скоростью, очень близкой к скорости света 18. Это означает, что тем из нас, кто будет находиться снаружи, будет практически невозможно заметить приближение стены рока. К тому моменту, когда мы ее заметим, она нас уже поглотит. Одно мгновение жизнь будет идти совершенно обычно. В следующее мгновение нас уже не будет. Смогут ли новые структуры и, возможно, новые формы жизни появиться в конечном итоге в этом царстве, населенном частицами с незнакомыми свойствами? Может быть. Но в настоящее время ответ на эти вопросы находится за пределами наших возможностей.

Физики не могут предсказать, когда поле Хиггса может совершить такой прыжок. Характеристики временной шкалы здесь зависят от свойств частиц и силы, которые еще только предстоит определить с адекватной точностью. Более того, поскольку это процесс квантовый, то предсказать можно только его вероятность. Современные данные указывают, что поле Хиггса, скорее всего, туннелирует к другому значению где-то через 10102-10359 лет — примерно между 102-м и 359-м этажами (хотя таких этажей вы не найдете даже в самом высоком здании мира «Бурдж-Халифа») 19.

Поскольку поле Хиггса заново определяет наше представление о пустоте — даже самое пустое из всех пустых пространств в любом месте наблюдаемой Вселенной содержит поле Хиггса со значением 246, — квантовое туннелирование значения хиггсовского поля свидетельствует о нестабильности самого пустого пространства. Стоит подождать достаточно долго, и даже пустое пространство изменится. Хотя временные параметры такого изменения и распада не дают, в общем-то, повода для беспокойства, существует тем не менее вероятность того, что этот туннельный переход может произойти сегодня. Или завтра. В этом заключается бремя жизни в квантовой Вселенной, где будущие события управляются вероятностями. При броске сотни монет все они могут лечь орлом кверху, это возможно, хотя и маловероятно, и точно так же мы, возможно, стоим на пороге катастрофы и вот-вот попадем под удар стены изменения хиггсовского поля, за которой следует новая разновидность пустого пространства. Возможно, хотя тоже маловероятно.

То, что эта вероятность очень мала, может показаться добрым знаком. Гибель под ударом движущейся со скоростью света стены рока будет, конечно, быстрой и безболезненной, но большинство из нас, я уверен, предпочли бы избежать такого конца. Однако, если перенести внимание на еще более длительные промежутки времени, мы встретим там квантовые процессы не только странные, но и способные подорвать все наши представления о реальности. В ответ некоторые физики воспылали любовью к теориям, согласно которым Вселенная погибнет задолго до того, как нам пришлось бы иметь дело с коллапсом рационального мышления как такового.

Больцмановские мозги

Взбираясь по лестнице времени, мы видели второе начало термодинамики в действии. От Большого взрыва к формированию звезд, зарождению жизни, процессам сознания, исчезновению галактик и далее через распад черных дыр энтропия неумолимо растет. Этот постоянный рост может заслонить тот факт, что команды второго начала носят вероятностный характер. Энтропия можетснижаться. Частицы воздуха, летающие в настоящее время по вашей комнате, могут все одновременно собраться в шар возле потолка, оставив вас задыхаться. Просто это настолько маловероятно, — и промежуток времени, за который это все же может произойти, настолько громаден, — что мы признаем эту возможность, но разумно забываем про нее и продолжаем жить обычной жизнью. Однако, поскольку сейчас мы смотрим в самое отдаленное будущее, нам стоит отбросить свой временной провинциализм и рассмотреть кое-какие довольно сногсшибательные варианты со снижением энтропии.