Глава 2 Нет такой вещи, как ничто

Вы все еще на кухне.

Ночь темна и тиха.

Если раньше вы думали, что мир прекрасен, то с багажом полученных во время путешествий знаний все совершенно изменилось. И кажется каким-то более глубоким, заряженным силой и тайной.

Даже ваша скромная кухня.

Воздух вокруг наполнен плавающими атомами, скользящими вниз по кривой земного пространства-времени.

Атомами, изначально создающимися в ядрах давно умерших звезд.

Атомами внутри вас, везде, разделяющимися в результате радиоактивных распадов.

Под ногами пол, электроны которого отказываются пропускать внутрь ваши, в результате чего вы можете стоять, ходить и бегать.

Земля, ваша планета, комок материи, созданной из трех известных человечеству квантовых полей, удерживается воедино гравитацией, так называемой четвертой силой (хотя она и не сила), плывет внутри и сквозь пространство-время.

Все это звучит настолько абсурдно или чудесно, что вы решили сварить себе еще одну чашку кофе и отправиться в гостиную на уютный, твердый, успокаивающе старый диван.

Вы пытаетесь навести порядок во всех мыслях, роящихся в вашем уме. Может быть, где-то за пределами того, где мы с вами уже побывали, спрятан смысл жизни? И действительно ли то, с чем вы познакомились до сих пор, имеет смысл?

* * *

Перед тем как отправиться в места еще более отдаленные, чем виденные до сих пор, позвольте мне сказать следующее: разгадка тайн мира – далеко не завершенная работа. Наука не может получить ответы на все вопросы, хотя у нее их много. На самом деле они зависят от того, каковы ваши ожидания, поэтому здесь я должен предупредить вас – в конце может оказаться меньше смысла, чем в начале. Американский физик-теоретик Эдвард Виттен однажды сказал: «Исключая безопасность вашего дома, Вселенная не создана для вашего удобства».[41]

Вероятно, стоит иметь эту фразу в виду, отправляясь в абсолютно неизведанное плавание, потому что, как ни унизительно звучит данное заявление, но оно предлагает всем нам необыкновенную свободу интерпретировать то, что мы видим, по-своему. И это хорошо. Чем больше различных точек зрения, тем лучше для человечества и для науки.

Теперь, как я и намекнул в конце последней главы, прежде чем мы уверенно откроем дверь в неизвестное, для начала необходимо ознакомиться с концепцией того, что ученые называют вакуум. Он является основой того, как наша квантовая реальность в настоящее время понимается физиками-теоретиками – это ментальная конструкция, которая помогла нам сделать невероятно точные, неоднократно проверенные бесчисленным множеством экспериментов предположения.

Возьмем любое место, область Вселенной и избавимся от всего его содержимого. И я имею в виду от всего вообще.

Как ни странно, то, с чем вы остались, – не пустота, даже если вы тщательно убрали все имеющееся там.

Имеет ли это смысл? Едва ли. Но природу не волнует то, что считаем разумным мы, люди.

Теперь закройте глаза.

Зачем?

Потому что некоторые вещи вокруг нас не выносят наблюдателей, а вакуум, с которым вы собираетесь познакомиться, как раз одна из них.

Чтобы убедиться, что вы готовы, на минуту расслабьтесь и вспомните о самолете, летящем домой с прекрасного тропического острова.

Вы, возможно, помните, что заснули сразу после взлета. И правда, если спросить об этом странно выглядящего соседа, то он, вероятно, сообщил бы, что большую часть полета вы громко храпели.

Так что же именно произошло во время полета, пока вы проспали восемь часов? Какие часовые пояса вы пересекли на своем пути? Интересно, а какой путь проделывает любой летящий в небе самолет, когда никто не следит за ним?

Все, что вы знаете о полете, это то, что вы наблюдали перед засыпанием и после пробуждения. Вы смотрели в иллюминатор и видели, как самолет оторвался от взлетно-посадочной полосы далекого острова, а позже – благополучно приземлился на родине. В промежутке между этими событиями в вашем мозгу не сохранилось абсолютно никаких отпечатков маршрута полета. Вы просто не знаете, что произошло.

Теперь, а что если кто-то сказал вам, что самолет проделал весьма неожиданный маршрут? Через Юпитер, например. Или сквозь Землю, как нейтрино, или вперед и назад во времени? Я предполагаю, что было бы трудно в это поверить.

Однако во сне или нет, но вы совершили в третьей части такое странное путешествие на 400 лет вперед, в будущее Земли, за восемь часов вашего собственного времени. Таким образом, мы должны взглянуть на произошедшее более пристально.

Сейчас вы знаете, что если бы это произошло на самом деле, то вашему самолету пришлось бы лететь чрезвычайно быстро. Более того, он был бы вынужден отправиться далеко в космос на околосветовой скорости, прежде чем вернуться на Землю почти через 400 лет.

В реальной жизни вы можете найти убедительные аргументы против такого маршрута или иных подобных странных путей следования самолета. Но все-таки: а что, если бы я сказал, что, пока вы спали, самолет не только совершил полет туда и обратно в космос, но и одновременно проделал все возможные и невозможные пути оттуда и с того момента, как вы заснули, до того момента, где и когда вы проснулись? Через всю Землю и обратно. Вокруг Юпитера и обратно. Все возможные.

Вы, вероятно, больше никогда не станете воспринимать мои слова серьезно, правда?

Хорошо.

Это означает, что вы наконец-то готовы взглянуть на вакуум.

Кофе, вазы, диван, дом – все пропадает.

Вы вернулись в мир, который может посетить только разум, а вы являетесь чем-то немного больше тени: полностью прозрачной и едва ли имеющей очертания. Не поддающимся воздействию и не влияющим на окружающее нечто.

Однако то, что вас окружает, не совсем понятно.

Насколько вы можете сказать, здесь нет ничего.

Повсюду только темнота, уходящая в бесконечность.

Уже привыкший к такой резкой смене декораций, вы неспешно плывете по тому, что очень напоминает Вселенную, очищенную от всего содержимого.

Вначале вид довольно успокаивающий. Но вскоре, признайтесь, становится скучно. От нечего делать вы начинаете переосмысливать только что рассказанное мной о сне в самолете.

Может ли самолет, может ли реальный самолет действительно полететь полностью непредсказуемым образом? Непредвзятое суждение о разнообразных петляющих маршрутах – это одно. Но реальный полет через центр Земли? Или туда и обратно во времени? Ну давай же!

Что ж, вы правы. «Давай же!» – единственная естественная реакция на такую нелепую мысль.

И все же вы должны оставаться непредвзятым, так как то, что может показаться сумасшедшим для самолета, может быть весьма реальным для частицы.

Так давайте начнем думать вместо него о частице, за которой никто не наблюдает. Представьте ее перемещающейся из одного места в другое и обнаруживаемой вами только в конечных точках отправления и прибытия. Теперь снова тот же вопрос: если не видеть, то какую траекторию проделает частица, чтобы добраться от одной точки в другую?

Конечно, это зависит от…

Нет, не зависит. Для самолета идея может показаться абстрактной, но для частицы она – факт. Частица действительно проделывает все вообразимые пути, рациональны они или нет, до тех пор пока никто за ней не наблюдает. Частицы двигаются и ведут себя совсем иначе, чем все, что вы когда-либо видели или ощущали в повседневной жизни. Наверное, вы уже получили представление об этом во время наблюдений за внутренним устройством атома, увидев, что электроны и все остальное не просто сферические комочки материи. Теперь мы подходим к еще более глубокой истине: квантовые поля делают с частицами странные вещи.

Принадлежность к квантовому полю означает, что частицы действительно занимаются тем, что все время делятся на множество изображений самих себя. И выбранные всеми этими образами маршруты заполняют все место в пространстве и времени, и у вас имеется лишь шанс, в действительности, лишь вероятность найти частицу в том конкретном месте и времени, где вы мысленно пытаетесь ее обнаружить.

Что еще хуже: перед обнаружением частицы материи или света ее бесчисленные образы могут разделиться и стать чем-то еще, прежде чем обратно превратиться в частицу, которой они были вначале. Подобно тому как свет может стать электроном, а электроны светом, все частицы Вселенной могут перевоплощаться в нечто еще, пока мы не следим за ними. Квантовые частицы – коварные гномы: все, что может случиться, случается, если оставить природу без наблюдения. И если вы не верите мне на слово, взгляните сами.

* * *

Что-то происходит с бесконечной ночью пространства, в котором вы плывете: вокруг вас начинает материализовываться белый куб в виде комнаты без дверей, и вскоре вы оказываетесь внутри этого помещения, стены которого сплошь усыпаны крошечными, совершенно белыми датчиками. Миллионами датчиков.

Прямо перед вами в центре этой комнаты без окон и дверей стоит вертикальный металлический столб толщиной с руку и высотой от пола до потолка.

Единственное, что есть в комнате кроме него, – желтая машина, выглядящая как одно из механических устройств для метания теннисных мячей – теннисных пушек. Этот невзрачный маленький робот, кажется, смотрит на вас через отверстие трубы.

По-видимому, запрограммированный на вежливость, он говорит:

– Привет.

У него нет рта, глаз, ушей или чего-нибудь подобного. Тем не менее он разговаривает, причем довольно ржавым голосом.

– Привет, – отвечаете вы на всякий случай, готовясь задать ему вопрос.

Робот прерывает вас, объясняя, что заполнен жужжащими частицами, которые он теперь будет выбрасывать, одну за другой, на противоположную сторону комнаты.

Если вы поинтересуетесь, будут ли это частицы света или материи, ответом будет: возможно и то и то – так как – и вы сейчас в этом убедитесь – материя и свет по большому счету будут вести себя одинаково.

Видимо, не в состоянии ждать ответа, робот тут же начинает обратный отсчет:

– Три… два… один…

Труба исторгает из себя частицу, и мгновение спустя на другой стороне комнаты звучит сигнал. А у вас появляется странное ощущение, что робот весьма доволен собой.

Вы чуть отклоняетесь в сторону и видите, что один из стенных датчиков за металлическим столбом почернел.

– Вопрос № 1: как попала туда частица? – спрашивает машина.

Не обращая внимания на его бесцветный менторский тон, вы проходите по комнате и останавливаетесь перед роботом. Прямая линия соединяет точку, из которой труба выплюнула частицу, с почерневшим датчиком. Прямая линия этой видимой траектории почти касается металлического столба, но не совсем.

– Вот ее траектория, – объявляете вы, поднимая палец, чтобы указать на единственно возможное направление, которое могла принять частица.

– Неверно, – тут же реагирует робот.

– Что-что? – переспрашиваете вы удивленно.

– Ответ неверен, независимо от указываемого тобой направления, – заявляет робот, заставляя вас изменить мнение о его якобы запрограммированной вежливости.

– Но есть только один возможный путь! И в настоящее время я на него смотрю.

– Полагаясь на чувства и интуицию, – продолжает машина, – ты продолжишь отвечать неверно. Каждый попавший сюда впервые человек совершает ту же ошибку. Законы квантовых частиц не соответствуют тем, что управляют твоей повседневной жизнью. Твои чувства и интуицию нельзя использовать на частицах. Забудь про них.

Каким бы фамильярным ни показалось его обращение, робот совершенно прав. Несмотря на довольно невзрачный внешний вид, он исполняет в данной книге роль самого передового компьютера в мире – и так же, как компьютеры часто являются лучшими друзьями ученого в реальной жизни, помогая визуализировать их теории, так и наш робот-суперкомпьютер будет полезен в оставшейся части книги.

Он может сымитировать все, что подчиняется законам природы в известном человечеству виде. Белая комната, в которой вы находитесь, например, создана компьютером. Но все происходящее в ней подчиняется известным законам природы.

Теперь может показаться, что брошенная нашим роботом частица полетела совершенно прямо, но частицы принадлежат микромиру и, следовательно, находятся за гранью здравого смысла. Компьютер сказал, что вы неправы, потому что только что произошедшее не имело ничего общего с тем, что могут обнаружить глаза или насколько у вас развита логика. Компьютер говорит о природе, а природа в этом вопросе выражается четко и ясно: квантовые частицы ведут себя не как теннисные мячи, а как квантовые частицы. Чтобы переместиться из одного места в другое, они совершают все возможные траектории в пространстве и во времени до тех пор, пока эти пути связывают их отправную точку с конечной. Выпущенная роботом частица отправилась буквально во все направления. Одновременно. Слева и справа от столба. И сквозь него. И вне комнаты. И в будущее и обратно – до того момента, пока не попала в датчик на стене.

Не волнуйтесь: вам не обязательно понимать. На самом деле не имеет значения, понимаете ли вы или нет, это просто способ работы природы. Частицы, за действиями которых никто не наблюдает, действительно проходят по всем возможным путям, предлагаемым пространством-временем. Металлический столб в центре комнаты ничего не меняет. На самом деле он там только для того, чтобы донести основную мысль визуальными средствами. Уберите его, и частица все равно будет путешествовать слева и справа от него.

Стенные датчики, с другой стороны, показали разницу: попав в один из них, частица в конце концов позволила себя где-то обнаружить.

Желтый робот рядом с вами начинает трястись и нагреваться. Вы задаетесь вопросом, не сломается ли он, но, предвидя его, он вдруг начинает говорить снова:

– Все в порядке. Я замедляю время. Это отнимает энергию. В следующий раз, когда ты моргнешь, я выброшу еще одну частицу. Ты увидишь, как выглядела бы комната, если бы можно было заметить все совершаемые частицей пути по дороге от отверстия трубы до стены.

Сами того не осознавая, вы невольно мигаете, и робот действительно начинает новый отсчет времени. И течение времени начинает замедляться.

– Три… два… один…

Частица в замедленном темпе вылетает из робота. Сначала она выглядит как размытое облако. Поменяв положение и оказавшись прямо за роботом, вы видите разделение частицы на кажущееся бесконечным количество остаточных изображений самой себя. Это – настоящая волна, пульсация, распространяющаяся по своему фоновому полю во всех направлениях в пространстве и времени, в том числе справа и слева от столба, сквозь него и стены комнаты, делясь на столько возможностей, сколько может представить себе разум, прежде чем внезапно сфокусироваться в единственной точке на другом конце комнаты, попав в другой датчик. Звучит сигнал, датчик выходит из строя, и время восстанавливает свою нормальную скорость.

То, что вы только что видели благодаря любезности компьютерного моделирования в белой комнате, – то, что, ученые полагают, происходит с ненаблюдаемыми частицами. Когда кто-то наблюдает, набор правил изменяется. Когда радары следят за самолетом на протяжении полета, самолет не может оказаться в любом другом положении, кроме как засеченном ими. Точно так же, когда кто-то вроде датчика на стене пытается обнаружить частицу, то она находится уже не везде, а где-то. Однако, в отличие от самолета с пассажирами внутри, когда никто не смотрит, частица на самом деле везде.

* * *

На первый взгляд, это может напоминать упавшее в лесу дерево: если никто не слышал звук падения, то разве был шум? И раз уж мы об этом заговорили, действительно ли оно упало?

Но мы здесь не говорим о философии – мы говорим о природе; о том, какие они – окружающие нас частицы, из чего они состоят и как ведут себя.

Далее, почему частиц – природу – волнует, наблюдает за ними человек или нет? Что ж, многие ученые уже задумывались над этим вопросом. И он навел некоторых из них на кое-какие сумасшедшие ответы, с которыми мы встретимся позже, в шестой части. На данный момент достаточно сказать: то, что вы только что наблюдали, оказалось правдой после бесчисленного количества проведенных экспериментов. Частицы сначала повсюду, а затем их больше нет: в модели робота датчики, наблюдая, вынуждали выбрасываемые им частицы ударять о стену где-то в комнате.

– Если ты запутался, то ты прав, – говорит робот. – Я показал тебе, что само по себе действие по исследованию реальности меняет ее природу.

– Извини, что ты сказал? – спрашиваете вы, нахмурившись.

– Реальность меняется, когда ты наблюдаешь за ней, – тускло повторяет робот. – Ты прав, что запутался.

Похоже, микроскопический квантовый мир представляет собой смесь возможностей.

Квантовые поля, которым принадлежат все частицы, есть сумма всех возможностей, и почему-то из всех существующих вариантов выбирается только один, просто увиденный, просто из-за самого действия обнаружения, и это происходит всякий раз, когда кто-то пытается исследовать природу частицы. Никто не знает, почему и как это происходит, но результат всегда одинаков. Многообразие становится единичностью, когда взаимодействуешь с квантовым миром. Похоже на то, как, с чьей-то точки зрения, все мысли, которые вы можете иметь или не иметь в своей жизни на заданную тему, вдруг сводятся к одной-единственной, когда кто-то слышит, как вы произносите ее вслух. То же самое сделали датчики на другой стороне белой комнаты. Они вынудили выброшенную роботом частицу в конечном итоге где-то остановиться, а не продолжать блуждать повсюду, лишив ее универсального характера.

Как только возможные последствия этого факта начинают доходить до вашего сознания, ваша кожа покрывается мурашками, даже если вы просто тень. Может ли это означать, что, имея нужные устройства обнаружения, вы можете создать собственную реальность? Просто пытаясь обнаружить частицы, не могли бы вы заставить их – и саму материю – двигаться таким образом, чтобы формировать всю Вселенную по своему желанию? Виттен говорил, что Вселенная не сделана для вашего удобства, но, возможно, он ошибался.

Перед тем как вы начнете хвастаться, мне очень жаль, но придется сказать вам, что Виттен в конце концов был прав и только что обретенная власть – мираж. Вы не можете создавать Вселенную, потому что, несмотря на все возможности квантового мира, невозможно предугадать, какая из них станет реальной после обнаружения. Это – часть магии полей, образующих Вселенную. Квантовый мир превращает то, что мы считали определенностью, в возможности или вероятности, чтобы проводить эксперименты, результат которых никто не может угадать с полной уверенностью. Так же как подбрасывание в воздух монетки или кидание костей. Ученые думали, что эта неопределенность связана с пробелами в их знаниях, но затем было доказано, что это не так, благодаря знаменитой теореме,[42] опубликованной в 1964 году физиком из Северной Ирландии Джоном Стюартом Беллом. Его неравенства позволили французскому физику Алену Аспе экспериментально показать, что существование возможностей вместо определенностей является свойством микромира, которое мы просто должны принять.

Хорошо.

Но какое отношение имеет все это к вакууму, который вы собирались исследовать? Что ж, это как раз то, чем вы теперь займетесь.

Заполненная датчиками белая комната исчезает вместе с металлическим столбом в ее центре и не удосужившимся даже попрощаться желтым роботом.

Вы вернулись в середину того, что кажется космической ночью, в одиночестве, в окружении небытия.

Вы уменьшились до размеров мини-копии и наблюдаете какое-то движение.

Это как если бы… как если бы частица (а может быть, и две, вы точно не уверены) только что появилась прямо перед вами, прежде чем исчезнуть во вспышке света.

Вокруг ничего не было, потом что-то появилось, и больше снова ничего нет.

Странно.

И это происходит снова. И снова. Бесчисленное множество раз, везде.

То, что вы наблюдаете, по-видимому, спонтанное рождение частиц из ничего. И прежде чем они по какой-то причине исчезнут, эти частицы проделают все возможные пути, которые позволит им пройти квантовая свобода.

Последнюю часть этого заявления вы можете допустить. Вы видели в белой комнате, как бесконтрольно ведут себя квантовые частицы. Но как же им удается просто вылетать из ничего?

Ну хорошо, их окружает не ничто. Вокруг существуют квантовые поля.

Для того чтобы возникнуть, частицам нужно позаимствовать некоторую энергию из квантовых полей. А так как эти поля заполняют любое место в пространстве и времени, частицы могут буквально появляться в любом месте и в любое время. Вот причина, почему нигде во Вселенной нет такого понятия, как истинная пустота.

Вы продолжаете смотреть в темноту, и вдруг, как будто бы с ваших глаз сняли повязку: перед вами мгновенно обнажается ее истинное содержимое. Частицы. Сливающиеся. Повсюду. Заполняющие все, выстреливающие сквозь кипящий фон пульсирующих петель, виртуальные частицы, движущиеся и взаимодействующие друг с другом, появляющиеся и исчезающие во вспышках света или энергии. Необычный фейерверк происходит повсеместно, не оставляя пустым ни одного места. Практически полная противоположность того «ничто», которое, как вы, вероятно, когда-то думали, заполняет огромную пустоту космического пространства.

И это именно то, что ученые называют вакуум.

Он – то, что остается, когда удаляют все: квантовые поля на их самом низком возможном уровне энергии, с виртуальными частицами, самопроизвольно вылетающими из них только для того, чтобы передвигаться везде, прежде чем уйти обратно в небытие.

Еще раз повторюсь: во Вселенной не существует такого понятия, как пустота.

В месте, из которого удалено все, как можно было бы резонно ожидать, ничего не осталось. Но дело в том, что, так же как нельзя забрать из любого места пространство и время, так и невозможно извлечь вакуум квантовых полей.

В 1948 ГОДУ НИДЕРЛАНДСКИЙ ФИЗИК ХЕНДРИК КАЗИМИР ВЫДВИНУЛ ГИПОТЕЗУ, ЧТО ВАКУУМ ЯВЛЯЕТСЯ РЕАЛЬНЫМ ФАКТОМ ВСЕЛЕННОЙ, А НЕ ПРОСТО ТЕОРЕТИЧЕСКИМ ВЫМЫСЛОМ.

Но если вакуум действительно не пуст – если вакуум квантового поля определяется всеми могущими выскочить из него частицами, – тогда в голове возникает довольно логичный вопрос: вакуум одинаков везде или природа может менять его в зависимости от места? Переспросим, употребив его грамматическое множественное число: имеется много вакуумов?

В 1948 году нидерландский физик Хендрик Казимир выдвинул гипотезу, что вакуум, определенный как описано выше, является реальным фактом Вселенной, а не просто теоретическим вымыслом и что вокруг нас не только должны существовать различные его виды, но они также должны оказывать весьма конкретное влияние на наш мир. Эффект, который может быть обнаружен.

Представьте себе установленную на поворачивающиеся ролики стену, отделяющую наполненную воздухом комнату от другой комнаты, заполненной водой. Можно было бы ожидать увидеть, как стена, мягко подталкиваемая напором воды, движется на роликах в направлении заполненного воздухом помещения. Теперь представьте две крошечные, параллельно расположенные металлические пластины, обращенные друг к другу. Если предоставить их самим себе, то, так же как и стена, отделяющая заполненные водой и воздухом комнаты, они должны двигаться: отталкиваться или притягиваться друг к другу из-за разницы в разграничивающем их вакууме и вакууме, находящемся в свободном пространстве вне их обеих.

Почему?

По той простой причине, что вне пластин больше места, чем между ними. Поэтому виртуальные частицы, вылетающие из ниоткуда между пластинами, отличаются от тех, что появляются снаружи, что и делает вакуумы разными.

В результате пластины должны двигаться – и они так и поступают, что в 1997 году было экспериментально доказано американским физиком Стивом Ламоро и его коллегами. Это явление известно как эффект Казимира.

Эффект Казимира подтверждает, что пустоты не существует, и идет дальше, показывая наличие различных типов вакуума, которые могут привести к возникновению силы: силы вакуума.[43]

Между прочим, вы уже могли заметить, что только что нашли решение весьма сложной головоломки.

Как вы уже с недавних пор знаете, все частицы во Вселенной не что иное, как выражения квантовых полей. Они как волны в море. Они похожи на подброшенные в воздух шары. Они одновременно частицы и волны, порождаемые квантовым полем, которому принадлежат, и распространяющиеся по нему.

Теперь вспомните, как, исследуя микромир, вы заметили, что все фундаментальные частицы, с которыми вы сталкивались, всегда были одинаковыми, а любые два электрона неизменно оказывались абсолютно идентичными.[44]

Как такое могло происходить?

В повседневной жизни такого совершенства просто не существует. Чтобы вы ни делали или ни строили, на что бы ни смотрели или о чем бы ни думали – нет двух совершенно точно одинаковых предметов. Или людей (даже близнецов). Или птиц. Или мыслей. Ничего. Даже если предметы выглядят одинаково, они не тождественны. Так как же тогда все электроны и другие фундаментальные частицы всегда абсолютно и совершенно идентичны любому другому в своем роде?

Ответ в том, что все элементарные частицы по всей Вселенной процветают на тех же объектах, что могут проглотить их обратно в любой момент: в вакууме квантового поля. В невидимых фоновых морях, заполняющих всю Вселенную.

Все электроны – идентичные выражения электромагнитного поля, все они вылетают из его вакуума и распространяются в нем. И так же поступают все фотоны.

Каждый раз, когда электрон становится реальным, он пробуждается от своей призрачной летаргии в результате всплеска в окружающем вакууме электромагнитного поля. Каждый раз, когда появляется глюон, он возникает из некоторой энергии, отданной или взятой из вакуума поля сильного взаимодействия. Каждый раз, когда происходит радиоактивный распад, вовлекается вакуум поля слабого взаимодействия и из него выстреливают элементарные частицы – нейтрино. И чем большей энергией обладает вакуум, тем больше элементарных частиц может вылететь из него.

Хорошо, мы подобрались к теме вплотную, так что давайте продолжим. Кажется, что все поля ведут себя одинаково, что все они подчиняются тем же законам. Теперь как насчет гравитации?

Везде, где действует гравитация, также существует и гравитационное поле, хотя это поле и другое, по крайней мере на настоящий момент, потому что никто не знает, как оно может быть квантовым. Как вы увидите позже, никто не знает, как заставить частицы вылетать из вакуума гравитационного поля, не создавая катастрофических проблем. Но если бы это было возможно, то гравитация имела бы собственные частицы, которые, как и в случае всех других полей, действительно бы вылетали из гравитационного поля, перенося его взаимодействие. Эти частицы называют гравитонами. Они еще не обнаружены, и кривые пространства-времени по-прежнему остаются лучшим способом объяснить действие гравитации.

Но даже без гравитонов и даже если она не квантовая по своей природе, гравитация все-таки поле. Таким образом, общее количество полей, используемых человечеством для описания всего известного до сих пор, равно четырем.

Но почему четырем?

Почему должно быть четыре фундаментальных поля?

Почему не пять, десять, сорок два или 17 092 008 полей для объяснения поведения природы?

А как насчет соответствующих им вакуумов? Может, они просто сосуществуют, не замечая взаимного присутствия? Звучит странно, не так ли? Разве жизнь не была бы проще, если бы имелось только одно поле?

Была бы.

А простота – это то, что, к чему всегда стремятся физики-теоретики. Она влечет их воображение, и поэтому они попытались объединить четыре упомянутых выше известных поля в одно.

Одно поле, что правит всеми, могли бы сказать вы.

Хотя легче сказать, чем сделать.

Элементарные частицы каждого поля не являются теми же самыми. А одно из них (гравитационное) вообще не имеет каких-либо обнаруженных частиц.

И возбуждение одного поля приводит к разным последствиям в сравнении с другими полями. И они не предполагают одинаковых электрических зарядов. И на самом деле вообще не обладают теми же самыми свойствами: электромагнитное поле имеет широкий диапазон действия и может притягивать или отталкивать, в то время как гравитационное поле только притягивает, а поле сильного взаимодействия имеет весьма малый радиус действия, а…

И все-таки…

Для создания сплава двух различных материалов их необходимо нагреть. Если сделать это при достаточно высокой температуре, они сплавятся в нечто совершенно новое, новый материал, объединяющий свойства их обоих.

В отношении слияния полей может работать та же теория. Но понадобится невообразимое количество энергии – для объединения электромагнитного поля и поля слабого ядерного взаимодействия в одно потребуется температура около миллиона миллиардов градусов.

Один миллион миллиардов градусов, безусловно, находится за границами природы, насколько мы знаем сегодня.

Но это не всегда могло быть так.

На самом деле, такое огромное количество энергии существовало вокруг очень давно, когда Вселенная была моложе и меньше. И пытавшимся выяснить на бумаге, как вела себя тогда природа, Глэшоу, Саламу и Вайнбергу удалось объединить электромагнитное поле с полем слабого взаимодействия, открыв, таким образом, электрослабое поле. Они обнаружили, что при экстремальных условиях одно поле содержало в себе два поля, которые сегодня отдельно управляют магнетизмом и радиоактивностью.

Следующим шагом является объединение этого нового поля с третьим известным квантовым полем, полем сильного взаимодействия, того, что управляет взаимодействием кварков и глюонов внутри атомных ядер. Сделав это, мы могли бы создать что-то, что помпезно окрестили теорией великого объединения. Для его появления необходимо затратить еще больше энергии.

Насколько больше?

На головокружительное количество. Такого невообразимого, что добавление пары-тройки миллиардов градусов не сыграет заметной роли.

Итак, откуда мы знаем, что это реально?

Откуда мы знаем, что Салам, Глэшоу и Вайнберг оказались правы? И, кроме ощущения того, что одно поле целесообразнее трех или четырех, откуда мы знаем, что в конечном итоге действительно ожидается обнаружить теорию великого объединения?

Потому что физики предсказали, что при объединении полей для создания одного нового у него должны появиться собственные фундаментальные частицы и переносчики силы. Для проверки были построены ускорители частиц, в которых уже существующие частицы разбиваются друг о друга. В таких коллайдерах частицы не только распадаются, показывая нам, из чего они состоят; выделяющаяся в результате столкновения огромная энергия также возбуждает все находящиеся в состоянии покоя поля нашей Вселенной.

Достигнутая в результате таких столкновений максимальная энергия по состоянию на 2015 год соответствует отметке 100 миллионов миллиардов градусов. Звучит как громадное количество энергии, но стоит помнить, что здесь речь идет об ускорителе частиц. Он ускоряет не коров или планеты, но невероятно крошечные частицы. В реальном выражении энергия, производимая столкновениями микроскопических частиц, будет едва мощнее полета комара. Локально, однако, выделяемая энергия огромна. И, как и предсказывали Салам, Глэшоу и Вайнберг, на свет появились совершенно новые частицы (в частности, W– и Z-бозоны) – частицы, имеющие смысл только с точки зрения электрослабого взаимодействия.

Не знаю насчет вас, но меня такие достижения никогда не перестают удивлять.

А какова роль гравитации во всем этом? Чтобы превратить четыре поля в одно целое, гравитация должна сыграть определенную роль, так почему ее выпустили? Ответ на этот (хитрый) вопрос станет целью всей седьмой части книги.

Но не будьте нетерпеливы, потому что из того, что вы увидели до сих пор, вы узнали почти все, что нужно, о составляющей нас материи, за одним большим исключением: массы.

Раз на то пошло, можно задаться вопросом, как же вы еще не слышали о ней раньше: ведь, кажется, это довольно важная тема, не так ли?

Итак, откуда же берется масса?

Как вы знаете, в своих сердцах звезды создают крупные атомные ядра из мелких.

Значит, звезды создают массу таким образом?

Нет.

На самом деле совсем наоборот.

Выбрасывая излишние глюоны во время процесса слияния, нейтроны и протоны теряют часть своей энергии, а следовательно, и массы, как гласит уравнение Эйнштейна E = mc²,[45] создавая тем самым источник энергии, заставляющий звезды светить. Вы видели, как это происходило. Но уравнение также утверждает кое-что еще: если атомные ядра теряют массу за счет избавления от глюонов, значит, глюоны и были той массой. Что говорит, что часть массы атома происходит от самого существования супов из виртуальных глюонов, удерживающих кварки в тюрьме. На самом деле, когда ученые внимательно рассмотрели эту гипотезу, то поняли, что «энергия глюонного супа», существующая внутри всех нейтронов и протонов Вселенной, отвечает не за какую-то часть, но за огромную долю от массы известной нам материи. Огромную долю. Но не за всю массу.

Уравнение не объясняет нам, например, почему кварки и электроны обладают массой. Или, скорее, каким образом они ее получают, потому что когда-то они были безмассовыми.

Салам, Глэшоу и Вайнберг показали, что давным-давно, когда наша еще чрезвычайно юная Вселенная расширялась и охлаждалась, электрослабое поле разделилось на электромагнитное поле и поле слабого взаимодействия. Но я прежде не говорил вам, что из-за этого пришлось появиться еще одному полю.

Другому квантовому полю, с собственными переносчиками взаимодействий и прочим.

Эти переносчики не могут переносить ни одну из сил, с которыми вы уже встречались, и не существует никакой другой силы… так что же они делают? Ну ладно, они придают массу некоторым частицам, оставляя другие безмассовыми. Фотоны и глюоны, например, не ощущали и не ощущают присутствия массы. Они могут путешествовать по своему полю, не замечая ее. Таким образом, они сохранились безмассовыми и до сих пор передвигаются со скоростью света.

Но кварки, электроны и нейтрино заметили ее присутствие и получили массу. Поэтому они больше не могут достичь скорости света.[46]

Опять же, откуда мы знаем, что это правда? Каким образом известно, что загадочное поле отвечает за массу этих частиц?

Ну хорошо, как и все поля, это новое поле должно иметь собственные фундаментальные частицы.

Однако, как и следовало ожидать, их не так легко увидеть или обнаружить.

Согласно расчетам, чтобы разбудить спящее поле и заставить родиться его фундаментальные частицы, потребуется огромное количество энергии – даже больше, чем для электрослабого поля. Тем не менее в 2012 году, как бы удивительно это ни звучало, ученым удалось сделать именно это на БАК, самом мощном ускорителе элементарных частиц Европейского центра ядерных исследований близ Женевы.[47] Они обнаружили фундаментальную частицу, принадлежащую данному полю. Она была недостающим куском головоломки: стало известно происхождение всей известной массы Вселенной, будь то из-за глюонов или нет.

Она действительно подтвердила, что физики с самого начала были на правильном пути.

Средства массовой информации называют эту обнаруженную частицу бозоном Хиггса (хотя может быть много ее различных видов), а породившее ее поле известно как поле Хиггса или поле Хиггса – Энглера – Браута. Британский физик-теоретик Питер Хиггс и бельгийский физик-теоретик Франсуа Энглер совместно получили в 2013 году Нобелевскую премию за свое открытие (которое предсказали более сорока лет назад вместе с Браутом, к сожалению, скончавшимся в 2011 году[48]). Иными словами, они обнаружили, как 13,8 миллиарда лет назад, когда наша Вселенная остыла, возникла некоторая часть массы. Весьма впечатляющее достижение для них и всего человечества.

Несмотря на то что открытие вызвало сенсацию, необходимо еще раз подчеркнуть, что поле Хиггса не отвечает за массу всего, из чего все мы состоим. Только за некоторую долю. Большая часть массы нейтронов и протонов происходит, как уже говорилось выше, от силы, удерживающей кварки внутри своих границ, от варящегося там кварко-глюонного супа. Если бы поле Хиггса внезапно выключилось, то кварки стали бы безмассовыми, и мы бы умерли. Но масса протона и нейтрона едва ли изменилась бы.

Теперь, когда роль поля сильного взаимодействия в обладании нашим существом массы доказана; когда вы знаете, откуда взялась вся масса всей известной материи, вспомните все те частицы, которые вы видели вылетающими из вакуума ранее в этой главе. Вы видели их… но не должны были. Природа не позволяет частицам появляться самим по себе, не заплатив цену.

Эта цена, как вы сейчас увидите, – существование нового типа материи под названием антиматерия.