Всё из ничего: Как возникла Вселенная

Предсказание частицы Хиггса сопровождало замечательную революцию, полностью изменившую наши представления о физике элементарных частиц во второй половине XX века. Всего пятьдесят лет назад, несмотря на громадные успехи физики в предыдущие полстолетия, мы понимали лишь одно из четырех фундаментальных взаимодействий природы – электромагнетизм – как полностью непротиворечивую квантовую теорию. Однако всего за одно следующее десятилетие не только три из четырех известных взаимодействий поддались нашим усилиям, но было открыто новое элегантное единство природы. Выяснилось, что все известные взаимодействия можно описать в рамках одной математической системы и что два из них, электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие (которое, например, управляет ядерными реакциями, питающими энергией Солнце), на самом деле являются разными физическими проявлениями одной фундаментальной силы.

Как могут два таких разных взаимодействия быть связаны между собой? В конце концов, фотон – частица, передающая электромагнетизм, – не имеет массы, тогда как частицы, передающие слабое взаимодействие, очень массивны – почти в сто раз массивнее, чем те частицы, из которых строятся атомные ядра; именно этим объясняется слабость этого взаимодействия.

Британский физик Питер Хиггс и несколько других ученых показали, что если существует невидимое в остальном фоновое поле (поле Хиггса), пронизывающее все пространство, то частицы, передающие некоторое взаимодействие, такое как электромагнетизм, могут взаимодействовать с этим полем и, по существу, испытывать сопротивление своему движению, замедляться, подобно пловцу, который пытается плыть в патоке. В результате эти частицы могут вести себя так, как будто они тяжелые, как будто обладают массой. Физик Стивен Вайнберг (и немного позже Абдус Салам) применил эту идею к модели слабого и электромагнитного взаимодействий, предложенную несколько ранее Шелдоном Глэшоу, и все отлично сошлось.

Эту идею можно распространить на остальные частицы в природе, включая те, из которых состоят протоны и нейтроны, а также на фундаментальные частицы, такие как электроны; все вместе эти частицы образуют атомы нашего тела. Если некая частица сильнее взаимодействует с этим фоновым полем, она ведет себя как более тяжелая. Если она взаимодействует с полем слабее, она ведет себя как более легкая. Если она вообще с ним не взаимодействует, то остается лишенной массы.

Если можно сказать, что нечто звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, это наш случай. Чудо массы – мало того, чудо самого нашего существования (поскольку если бы не Хиггс, то не было бы ни звезд, ни планет, ни людей) – возможно, судя по всему, только благодаря некоему скрытому во всех остальных отношениях фоновому полю, единственное действие которого, как представляется, состоит в том, чтобы мир выглядел именно так, как он выглядит.

Но полагаться на невидимые чудеса – дело религии, не науки. Чтобы убедиться в том, что эта замечательная случайность реальна, физики обратились еще к одной грани квантового мира. С каждым фоновым полем связана некоторая частица, и если выбрать в пространстве точку и как следует по ней ударить, то можно вышибить вполне реальные частицы. Фокус в том, чтобы ударить достаточно сильно по достаточно маленькому объему. А это проблема. Пятьдесят лет работы, включая неудачную попытку постройки в США ускорителя для поверки этих идей, не дали никаких признаков существования бозона Хиггса. Мало того, я готов был поставить на то, что его не существует, поскольку работа в теоретической физике научила меня тому, что природа, как правило, обладает гораздо более богатым воображением, чем мы.

До июля 2012 года.

Открытие бозона Хиггса не снабдит нас, возможно, ни улучшенным тостером, ни более быстрым автомобилем. Но это событие – замечательное свидетельство способности человеческого разума раскрывать тайны природы, а созданной нами технологии – управлять ими. В том, что кажется пустым пространством – по существу, ничем, – скрыты те самые элементы, благодаря которым наше существование возможно.

Открытие поля Хиггса усиливает многие идеи, о которых я рассказываю в этой книге. Идея о том, что в самом начале существования Вселенная прошла через период сверхсветового расширения, называемого инфляцией, в результате которого возникли, по существу, все пространство и вещество в наблюдаемой Вселенной почти из ничего, опирается на возможность того, что в начале времен господствовало другое поле, во многом похожее на поле Хиггса, которое мы, кажется, теперь открыли.