О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

Идея скалярного поля, которое обеспечивает другие частицы массой, была впервые робко высказана Хиггсом. Независимо от него и в гораздо более яркой форме это сделали американец Роберт Браут и бельгиец Франсуа Энглер. Имеющее вид частицы соответствующее возмущение поля получило название бозона Браута – Энглера – Хиггса в Бельгии и просто бозона Хиггса во всех других странах. Частица стала краеугольным камнем Стандартной модели; спустя почти пятьдесят лет, в 2012 году, она была наконец обнаружена на БАК. Это открытие считается настоящим триумфом длительного и глубокого симбиоза чистой науки, основанной на жажде познания, самой передовой техники и международного сотрудничества. Как и открытие темной энергии в космологии, экспериментальное обнаружение бозона Браута – Энглера – Хиггса опять подтверждает, что пустое пространство на деле не пустое, а заполнено невидимыми полями – и одно из них ответственно за массу той материи, из которой состоим и все мы, и почти все, с чем мы сталкиваемся в жизни. Это открытие также показывает, что скалярные поля действительно используются Природой в качестве одного из главных ингредиентов формирования физического мира. Таким образом, открытие хиггсовского бозона – аргумент в пользу существования подобного поля, возможно, ответственного за инфляцию в очень ранней Вселенной.

Чтобы получить бозоны Хиггса, нужно что-то вроде БАК, потому что поле Хиггса сильно взаимодействует не только с другими частицами, но и само с собой, наделяя свою собственную квантовую частицу большой массой m. Из формулы Эйнштейна E=mc² тогда следует, что на настолько сильное возбуждение всепроникающего поля Хиггса, чтобы можно было быстро отщипнуть от него единичный похрустывающий квант, требуется много энергии E. БАКу удается создавать бозон Хиггса только примерно в одном столкновении на десять миллиардов частиц. И полученные бозоны Хиггса наслаждаются существованием лишь на краткий миг, почти немедленно распадаясь и рождая каскад более легких частиц. Тем не менее, тщательно просеивая продукты распада бозона, физики смогли установить некоторые его свойства, например, тот факт, что он весит как примерно 130 протонов, вместе взятых. Может показаться, что это много, но большинству работающих в этой области физиков кажется, что бозон оказался невероятно легким. Масса бозона Хиггса не менее чем в сто миллионов миллиардов раз ниже, чем то, что многие физики считают ее естественным значением[137]. Непонятная легкость бозона Хиггса стала еще более загадочной в 2016 году, когда, несмотря на капитальную модернизацию, БАКу так и не удалось вызвать из небытия ни одной из новых элементарных частиц, существованием которых теоретики пытались объяснить слишком малую массу бозона. Однако легкий бозон Хиггса все равно очень важен – ведь если бы он был гораздо тяжелее, чем есть, протоны и нейтроны тоже были бы тяжелее. Они оказались бы слишком тяжелыми, чтобы образовать атомы. Так что невыносимая[138] легкость бозона Хиггса – еще одно свойство нашей Вселенной, которое делает ее такой благосклонной к жизни.

Стандартная модель не предсказывает значений масс индивидуальных видов частиц, в том числе массы бозона Хиггса, так как теория не устанавливает значений силы, с которой каждый вид частиц взаимодействует с полем Хиггса. В общей сложности модель содержит около двадцати параметров ключевых значений таких величин, как массы частиц и силы. Эти величины, часто довольно неожиданные, не предопределяются теорией, но должны измеряться экспериментaльно и вводиться в формулы «вручную». Физики обычно называют эти параметры фундаментальными постоянными Природы, так как они оказываются неизменными во всей наблюдаемой Вселенной. После введения этих постоянных теория дает исключительно хорошее описание всего, что нам известно о поведении частиц видимой материи. В сущности, к настоящему времени Стандартная модель – определенно лучше всего проверенная физическая теория всех времен. Некоторые из ее предсказаний проверены с точностью до четырнадцати десятичных знаков!

И все-таки мы могли бы задуматься о том, не существует ли еще ждущего своего открытия более глубокого принципа, определяющего значения параметров, на которых основывается огромный успех Стандартной модели. На основании наших знаний масса бозона Хиггса может казаться нам неестественно малой – но, возможно, ее значение вытекает из более высоких математических истин? Или, может быть, «константы» на деле не сохраняют одних и тех же постоянных значений во всей Вселенной? Возможно, они очень медленно изменяются в ходе космологической эволюции? Или, может быть, меняются от одной области космоса к другой, порождая островные вселенные, в которых действуют «нестандартные модели» физики частиц?