Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса - Дэйв Голдберг

Если предположить, что расширение нейтронов не сразу разорвало корабль в клочки, худшее еще впереди. Внутри нейтронной звезды давление вырождения мешает нейтронам делать то, к чему их вечно тянет, то есть распадаться. Если нейтрон входит в состав ядра атома, он может продержаться очень долго, но сами по себе они не то чтобы долгожители, по крайней мере по нашим человеческим меркам. По сравнению со многими субатомными частицами, которые живут всего одну миллиардную секунды, а то и меньше, десятиминутная жизнь нейтрона необычайно продолжительна. А по истечении этих 10 минут (в среднем) нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, которое в обычных обстоятельствах невозможно зарегистрировать.

Думаете, это не играет никакой роли? Ошибаетесь. Мы наконец-то готовы призвать на помощь формулу E = mc². В случае распада нейтрона примерно 0,08 % массы в процессе преобразуется в энергию — на первый взгляд всего ничего, но помножьте эту величину на чайную ложку вещества нейтронной звезды, и у вас получится столько энергии, сколько Солнце испускает за 2–3 секунды.

Распад нейтронов высвобождает энергию, эквивалентную триллиону мегатонн ядерного заряда. Для сравнения, первые атомные бомбы обладали мощностью около 200 килотонн. Ваша чайная ложечка нейтронов с легкостью уничтожит жизнь на Земле. Поздравляю, вы телепортировали на свой звездолет атомную бомбу без предохранителя.

Всего вам самого наилучшего.

Глава девятая. Хиггс

В которой мы исследуем происхождение массы и разберемся, почему заниматься физикой — это вам не марки коллекционировать

Мы можем наблюдать галактики, расположенные в миллиардах световых лет от нас, и регистрировать микроскопические частицы, живущие всего крошечную долю секунды. Мы способны разорвать гравитационные узы Земли и уже через считаные месяцы разработаем трусы, которые не впиваются между ягодиц. По-моему, наука движется вперед семимильными шагами. А вы как считаете?

Но все же наука иногда увлекается всякого рода перечнями. Известный анекдот гласит, как Энрико Ферми (лауреат Нобелевской премии за 1938 год) беседовал как-то со своим учеником Леоном Ледерманом (который и сам получил Нобелевскую премию в 1988 году)[92], и Ледерман спросил Ферми о какой-то частице, на что Ферми ответил:

Ах, молодой человек, знал бы я все названия частиц, был бы ботаником[93]!

Физика частиц — она как промышленная революция: прогрессирует исключительно благодаря тому, что кто-то заметил, что большое и сложное состоит из мелких деталей, а те — из неделимых частей. Всего из нескольких сотен разных изотопов можно создавать буквально миллионы разных молекул. А атомы в конечном итоге сделаны всего из трех частиц: протонов, нейтронов и электронов. Глубоко ли уведет эта кроличья нора?

Если бы вселенная и вправду состояла всего из трех частиц, это была бы фантастика, однако по какой-то причине существует множество «элементарных» частиц, которые вроде бы особенно ничем не заняты. Например, на свете как минимум двенадцать разных фермионов и по меньшей мере пять разных типов бозонов, и у каждого свое состояние спина, своя античастица и т. д., так что всего получается 61 частица. Не говоря уже о буквально сотнях разнообразных составных частиц. У нас длиннющий список частиц и сил, однако на данный момент мы не представляем себе, откуда они вообще взялись.

Скоро все изменится.

Полное собрание частиц и сил получило название «Стандартная модель». Это одна из величайших побед человеческой мысли, и вам приятно будет узнать, что стандартная модель отнюдь не ограничивается перечислением частиц и их свойств.

Во всем этом заложена фундаментальная структура. И частицы, и силы — все они порождены симметриями.

В реальности реальность нереальна

Мы живем в «Матрице». Все кругом только кажется вечным и вещественным, но на самом деле все это неправда. Частицы, даже элементарные, отнюдь не постоянны и не незыблемы. Мы убедились в том, что в космическом вакууме частицы и античастицы создаются из ничего и почти тут же исчезают снова.

Во вселенной, где царит квантовая неопределенность, говорить о какой-то отдельной частице попросту бессмысленно. Лучше представьте себе огромный рой электронов, который неутомимо летит по вселенной единой массой. В целом — или квантово-механически — трудно сказать с уверенностью, где кончается один электрон и начинается другой. Вот мы и не будем этого говорить. А будем описывать «электронность» вселенной как поле.

Вселенная, даже если она на вид пустая, полна полей. Это слово вы, конечно, и без меня знаете, однако для физика оно напоено особым смыслом. Поле — это как джедайская Сила. «Она окружает и пронизывает нас, она связывает Галактику воедино»[94]. С некоторыми полями мы уже знакомы. Великий вклад в науку Джеймса Клерка Максвелла состоял в описании электромагнитных полей. Вот как об этом писал Эйнштейн:

До Максвелла все считали, что физическая реальность — в той степени, в какой она должна отражать события в природе — состоит из материальных точек, которые если и меняются, то лишь через движение, которое подлежит полному описанию посредством дифференциальных уравнений. После Максвелла вселенную стали воспринимать как непрерывные поля, необъяснимые с точки зрения механики… Подобная перемена в восприятии реальности — самая глубокая и плодотворная из тех, что произошли в физике со времен Ньютона.

Как всем известно, Эйнштейн показал, что электромагнитное поле — это не какая-то невидимая вязкая жижа, его можно разделить на частицы. Вы их знаете, это фотоны. Подобно тому как молекулы воды и волны на воде — это две стороны одной медали, фотоны и электромагнитное поле — два разных способа представить себе одно и то же[95]. Какой мы его видим, зависит от контекста. При видимом свете — таком, к которому приспособлены наши глаза — мы можем пересчитать отдельные фотоны. Если длина волны больше, перед нами радиоволны. Однако на фундаментальном уровне это одно и то же.

На свете есть и гравитационное поле, и поля других фундаментальных сил. О них достаточно широко известно и часто говорят. А вот беседы об «электронном поле» слышишь довольно редко. Однако же мы в нем просто тонем.

Свое поле есть у каждой частицы. На самом простом уровне поле говорит вам, сколько частиц находится в той или иной области пространства и с какой скоростью они двигаются.

А если вам хочется стать искушеннее, представьте себе, что поле — это батут, на котором прыгает компания гиперактивных детишек. С каждым прыжком по батуту расходится рябь. Не отрывайте от нее взгляда. Если бы у нас были соответствующие математические формулы, чтобы описать эту рябь, она дала бы нам всю необходимую информацию о частицах, мельтешащих во вселенной — и об их плотности, и об импульсе, и обо всем прочем.

Поля и частицы

С практической точки зрения прыжки вверх-вниз в случае, скажем, электромагнетизма похожи на колебания электрона. На этом основана работа радиопередатчика.

Однако аналогия эта несовершенна. Батут — это двумерная поверхность, а мы живем в трехмерном пространстве. Если вы в состоянии точно представить себе, как трехмерный батут колеблется в четырехмерном пространстве, значит, вы — борг.

Бросьте в пруд горстку камушков, и вы увидите, что при помощи одной лишь интерференции возникших в результате волн можно получить крайне сложные узоры. Даже воображение напрягать не нужно. Все, что вы видите, — не более чем собрание колоссального количества электромагнитных волн, наложившихся друг на друга и спроецированных вам в глаза. Звук устроен точно так же за тем исключением, что его проецируют в уши.

На первый взгляд кажется, будто понятие поля не такое уж и важное. Подумаешь — ну, были у нас десятки разных фундаментальных частиц, берем и заменяем их десятками разных фундаментальных полей. Умничка, физика!

Однако в мире полей проявляются симметрии, которые на примере частиц увидеть невозможно. Нескольких простых полей достаточно, чтобы описать практически все частицы во вселенной.

Вы, возможно, полагали по наивности, будто нам понадобится 61 поле, по одному на каждый вид частицы, на цвет, спин и все прочее. Шестьдесят одно поле — это, конечно, очень много кропотливой работы, особенно если каждое из них подчиняется своему закону и все эти законы придется выводить. С другой стороны, разумно предположить, что частицы-правши и частицы-левши должны вести себя примерно одинаково, поэтому, возможно, нам удастся воспользоваться некоторыми полями по два раза и сэкономить усилия. Ну и еще стоить вспомнить идею Уилера, согласно которой позитрон выглядит точь-в‑точь как электрон, движущийся обратно во времени. Электроны и позитроны — это одно и то же поле.