Всё из ничего

Для меня тот факт, что для освоения научных представлений о природе нам необходимо «усовершенствовать» то, что мы называем «здравым смыслом», – один из самых замечательных и освобождающих аспектов науки. Реальность освобождает нас от предрассудков и неверных представлений, возникших потому, что интеллект унаследован нами от наших животных предков, которым для выживания необходимо было знать, не притаились ли за деревьями или в пещерах хищники, но совершенно не нужно было думать о волновой функции электрона в атоме. Современная концепция Вселенной настолько чужда всему, во что даже ученые верили всего лишь столетие назад, что мы можем лишь воздать должное мощи научного метода, а также творческому началу и упорству людей, которые жаждут разобраться в ней. Это достойно восхищения. Как я рассказываю в книге, вопрос о том, как нечто могло произойти из ничего, и возможные ответы на него даже более интересны, чем возможность возникновения галактик из пустого пространства. Наука указывает возможный путь зарождения самого пространства (и времени) и, может быть, дает также представление о том, как законы физики, определяющие динамику пространства и времени, могут возникнуть случайным образом.

Для многих, однако, предлагаемых потрясающих ответов на эти давние загадки недостаточно. Их завораживает более глубокий вопрос несуществования. Можем ли мы понять, как так вышло, что абсолютное ничто, где отсутствует даже потенциальная возможность существования чего бы то ни было, не правит миром до сих пор? Сможет ли кто-нибудь когда-нибудь сказать хоть что-то помимо того факта, что ничто, которое стало нашим чем-то, было частью «чего-то» еще, чему потенциальная возможность нашего существования или любого существования вообще была изначально присуща?

В этой книге я проявляю достаточно легкомысленное отношение к данной проблеме, потому что мне не кажется, что она добавляет хоть что-то к продуктивной дискуссии, тему которой можно сформулировать так: «На какие вопросы можно реально получить ответы, зондируя Вселенную?» Я отбросил этот философский вопрос, но не потому, что считаю, что люди, которые занимаются некоторыми его аспектами, не пытаются изо всех сил сформулировать логические вопросы. Я отбрасываю здесь этот аспект философии скорее потому, что считаю, что он обходит действительно интересные и доступные физические вопросы, связанные с происхождением и эволюцией нашей Вселенной. Несомненно, некоторые сочтут это признаком моей собственной ограниченности; может быть, они будут правы. Но именно в этом контексте следует читать эту книгу. Я не утверждаю, что у меня есть ответы на вопросы, на которые не может ответить наука, и я очень старался определять в тексте, что именно подразумеваю под терминами «ничто» и «нечто». Если эти определения отличаются от тех, которые хотелось бы принять вам, так тому и быть. Напишите собственную книгу. Но не отбрасывайте замечательное человеческое приключение, каким является современная наука, только потому, что оно вас не утешает.

А теперь хорошие новости! Летом 2012 года физики всего мира, включая и меня, зависали перед экранами компьютеров в самое странное время суток, чтобы посмотреть в прямом эфире, как ученые Большого адронного коллайдера под Женевой объявят, что им удалось наконец обнаружить одно из важнейших недостающих звеньев головоломки, которую представляет собой природа, – частицу Хиггса (или бозон Хиггса).

Гипотеза о бозоне Хиггса была выдвинута почти 50 лет назад для объяснения расхождений между теоретическими предсказаниями и экспериментальными наблюдениями в физике элементарных частиц; обнаружение частицы Хиггса венчает собой одно из самых замечательных интеллектуальных приключений в истории человечества. Всякий, кто интересуется прогрессом знания, должен иметь об этой истории хотя бы примерное представление. Обнаружение этой частицы делает случайность нашего существования и образования Вселенной из ничего – тему данной книги – еще более замечательной. Это открытие – еще одно доказательство того, что Вселенная, воспринимаемая нашими чувствами, – всего лишь верхушка громадного и по большей части скрытого от глаз космического айсберга и что пустое, на первый взгляд, пространство может дать семена нашего существования.

Предсказание частицы Хиггса сопровождало замечательную революцию, полностью изменившую наши представления о физике элементарных частиц во второй половине XX века. Всего пятьдесят лет назад, несмотря на громадные успехи физики в предыдущие полстолетия, мы понимали лишь одно из четырех фундаментальных взаимодействий природы – электромагнетизм – как полностью непротиворечивую квантовую теорию. Однако всего за одно следующее десятилетие не только три из четырех известных взаимодействий поддались нашим усилиям, но было открыто новое элегантное единство природы. Выяснилось, что все известные взаимодействия можно описать в рамках одной математической системы и что два из них, электромагнетизм и слабое ядерное взаимодействие (которое, например, управляет ядерными реакциями, питающими энергией Солнце), на самом деле являются разными физическими проявлениями одной фундаментальной силы.

Как могут два таких разных взаимодействия быть связаны между собой? В конце концов, фотон – частица, передающая электромагнетизм, – не имеет массы, тогда как частицы, передающие слабое взаимодействие, очень массивны – почти в сто раз массивнее, чем те частицы, из которых строятся атомные ядра; именно этим объясняется слабость этого взаимодействия.

Британский физик Питер Хиггс и несколько других ученых показали, что если существует невидимое в остальном фоновое поле (поле Хиггса), пронизывающее все пространство, то частицы, передающие некоторое взаимодействие, такое как электромагнетизм, могут взаимодействовать с этим полем и, по существу, испытывать сопротивление своему движению, замедляться, подобно пловцу, который пытается плыть в патоке. В результате эти частицы могут вести себя так, как будто они тяжелые, как будто обладают массой. Физик Стивен Вайнберг (и немного позже Абдус Салам) применил эту идею к модели слабого и электромагнитного взаимодействий, предложенную несколько ранее Шелдоном Глэшоу, и все отлично сошлось.

Эту идею можно распространить на остальные частицы в природе, включая те, из которых состоят протоны и нейтроны, а также на фундаментальные частицы, такие как электроны; все вместе эти частицы образуют атомы нашего тела. Если некая частица сильнее взаимодействует с этим фоновым полем, она ведет себя как более тяжелая. Если она взаимодействует с полем слабее, она ведет себя как более легкая. Если она вообще с ним не взаимодействует, то остается лишенной массы.

Если можно сказать, что нечто звучит слишком хорошо, чтобы быть правдой, это наш случай. Чудо массы – мало того, чудо самого нашего существования (поскольку если бы не Хиггс, то не было бы ни звезд, ни планет, ни людей) – возможно, судя по всему, только благодаря некоему скрытому во всех остальных отношениях фоновому полю, единственное действие которого, как представляется, состоит в том, чтобы мир выглядел именно так, как он выглядит.

Но полагаться на невидимые чудеса – дело религии, не науки. Чтобы убедиться в том, что эта замечательная случайность реальна, физики обратились еще к одной грани квантового мира. С каждым фоновым полем связана некоторая частица, и если выбрать в пространстве точку и как следует по ней ударить, то можно вышибить вполне реальные частицы. Фокус в том, чтобы ударить достаточно сильно по достаточно маленькому объему. А это проблема. Пятьдесят лет работы, включая неудачную попытку постройки в США ускорителя для поверки этих идей, не дали никаких признаков существования бозона Хиггса. Мало того, я готов был поставить на то, что его не существует, поскольку работа в теоретической физике научила меня тому, что природа, как правило, обладает гораздо более богатым воображением, чем мы.

До июля 2012 года.

Открытие бозона Хиггса не снабдит нас, возможно, ни улучшенным тостером, ни более быстрым автомобилем. Но это событие – замечательное свидетельство способности человеческого разума раскрывать тайны природы, а созданной нами технологии – управлять ими. В том, что кажется пустым пространством – по существу, ничем, – скрыты те самые элементы, благодаря которым наше существование возможно.