На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё

Для достижения таких экстремальных температур физики с помощью коллайдера для релятивистских тяжелых ионов, или RHIC, в Брукхейвенской национальной лаборатории разгоняют ядра золота почти до скорости света и затем сталкивают их вместе, высвобождая при этом сотню миллиардов электрон-вольт энергии, в результате чего образуется файербол в триста миллионов раз горячее, чем поверхность Солнца. Он живет всего 10^—23 секунды. Но в эту долю секунды кварки пребывают в свободном состоянии.

Это было волнующее открытие, но плазма оказалась весьма непохожа на то, что физики ожидали. Вопреки их расчетам, кварки и глюоны двигались, по-видимому, упорядоченным образом. Это вовсе не было хаотическим свободным движением газа: они, скорее, плавали синхронно, что характерно для жидкости. Причем по своей вязкости эта жидкость ближе к идеальной, чем любая другая известная жидкость – она почти в двадцать раз более жидкая, чем вода.

Это было любопытно, но по-настоящему мое внимание зацепило сказанное Иоганном Рафельским. Он был экспертом по кварк-глюонной плазме, и я позвонила ему, чтобы обсудить скрытые смыслы открытия.

– Удержание кварков объясняется структурой вакуума, – сказал он мне. – Поэтому надо было расплавить вакуум, растворить связи между кварками, позволяя им свободно двигаться.

Расплавить вакуум? Эта фраза не выходила у меня из головы. Она была пугающе странной – как вы можете расплавить ничто? Ладно, я знала, что вакуум на самом деле не был «ничто». Ничто – это, по-видимому, состояние с нулевой энергией. Но ноль – слишком точное число для квантовой механики. Квантовое ничто активно бурлит благодаря соотношению неопределенности между энергией и временем: чем короче интервал времени, тем больше энергия, которая может спонтанно возникнуть из глубины вакуума только для того, чтобы в мгновение ока снова исчезнуть. Эта энергия может принять форму виртуальной пары частицы и античастицы, которые рождаются из кипящего вакуума и затем, встретившись, аннигилируют друг с другом. Но как же эти виртуальные флуктуации вакуума связывают кварки вместе? Мне придется еще разобраться в этом, – и побыстрее.

Из всего, что я узнала о квантовой хромодинамике, в которую по уши погрузилась, именно вакуум, как и сказал Рафельский, удерживает кварки, не позволяя им удаляться друг от друга. Благодаря квантовой неопределенности в глюонном поле рождаются виртуальные глюоны. Но дело в том, что глюоны – даже виртуальные – несут заряд. Задача глюонов – склеивать кварки за счет так называемого сильного взаимодействия. Глюоны распознают кварки по их цветовому заряду. Фотоны действуют аналогичным образом, перенося электромагнитное взаимодействие между электронами, которые они определяют по их электрическому заряду. Но, в отличие от фотонов, которые не переносят никакого электрического заряда, глюоны имеют цвет и, помимо кварков, взаимодействуют и сами с собой, и с другими глюонами. В кипящем вакууме виртуальные глюоны прилипают друг к другу, скручиваются и деформируются, образуя сложные структуры – структуры, которые создают для кварков барьер, делая невозможным их свободное существование в вакууме. Стиснутые в кипящем море виртуальных глюонов, кварки жмутся друг к другу – красный, синий и зеленый. Отсутствие цвета защищает их от опасных клейких глюонов. Бесцветный конгломерат из трех кварков образует протон или нейтрон, а из них, в свою очередь, составляются массивные ядра атомов. Если бы не структура вакуума, атомы бы развалились.

Сила виртуального глюонного поля препятствует движению кварков; если вы попытаетесь ухватить один из кварков и сдвинуть с места, ничего не выйдет. Как будто бы он тяжелый. Таким образом, виртуальное глюонное поле вакуума обеспечивает кваркам 95 % их массы, что, в свою очередь, обеспечивает протоны и нейтроны их массой, а это, в свою очередь, определяет 99 % массы атомов… Все это означает, что масса всего, что нас окружает, включая наши собственные тела, не сильно отличается от массы самого вакуума. Материальный мир состоит из ничего. Лукреций сказал, что «ничто из ничего не родится». Квантовая хромодинамика это опровергает.

Чтобы сделать кварки свободными, вы должны растворить виртуальные глюонные структуры вакуума. Позаботьтесь, чтобы температура и энергия были повыше, поближе к тем, что были в условиях Большого взрыва, и вакуумные структуры расплавятся. По мере того как исчезают замысловатые формы, вакуум начинает все больше и больше походить на ничто. Становится гладкий и простой. Недифференцированный. Симметричный.