До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Физики иногда сравнивают эту будущую эпоху с концом времени. Не то чтобы время остановится. Но когда всякое действие сводится всего лишь к движению отдельной частицы из этой точки на огромных просторах пространства в ту, разумно заключить, что Вселенная в конечном итоге ушла в небытие. И все же в этой главе мы готовы рассматривать еще более продолжительные промежутки времени, что переводит в разряд возможных события настолько невероятные, что в любом другом случае их можно было бы просто игнорировать. Эти настолько редкие события, что трудно даже вообразить себе их реальность, но они могут иногда прерывать небытие с далеко идущими последствиями.

Распад пустоты

На пресс-конференции 4 июля 2012 г., проводившейся в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований), его представитель Джо Инкандела объявил об открытии частицы Хиггса, которую физики давно искали. Я смотрел прямую трансляцию этой пресс-конференции в Центре физики в Аспене в комнате, куда набилось множество коллег. Было около двух часов ночи. После заявления комната взорвалась одобрительными криками. Камера сфокусировалась на Питере Хиггсе, который снял очки и протирал глаза. Хиггс предположил существование частицы, получившей его имя, почти за полвека до этого; он успешно преодолел сопротивление, которое нередко встречают незнакомые идеи, и целую жизнь ждал возможности убедиться, что был прав.

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.