Удивительные числа Вселенной - Антонио Падилья

поля и соответствующих ему квантов. Благодаря калибровочной симметрии электромагнетизма фотон имеет нулевую массу покоя, что вынуждает его двигаться со скоростью света.

Кажется, у природы есть настоящая жажда симметрии, особенно калибровочной. Калибровочные симметрии дают вам взаимодействия. Они лежат в основе нашего понимания гравитации, сильных и слабых ядерных взаимодействий и, конечно, электромагнетизма. Эта идея господствовала в физике почти столетие. По мере того как мы с помощью все более мощных ускорителей все глубже погружаемся в микроскопический танец субатомных частиц, мы наблюдаем все больше симметрии. Чем ближе расстояние, тем красивее — то есть симметричнее — становится природа. И с каждой новой симметрией появляется какой-нибудь ноль.

Когда древние вавилоняне написали первый ноль, они сделали это ради улучшения учета продуктов питания, скота, людей и товаров. Однако ноль оказался числом со слишком большой индивидуальностью и всегда был обречен на опасности и тревоги. Со временем он стал танцевать с дьяволом, слившись с пустотой и отсутствием Бога. Странно думать, что число, столь долго осуждаемое как ересь, должно существовать в самой сердцевине того, чем на самом деле является природа. В математике ноль — пустое множество, воплощение симметрии, которое можно найти и в физическом мире. Наша Вселенная заполнена нулями — признаками симметрии в часовом механизме фундаментальной физики, от нулевой массы фотона до нулевых изменений заряда и энергии.

Как мы увидим в следующих двух главах, в природе существуют и другие маленькие числа: те, которые намного меньше единицы, но не равны нулю. Примером можно считать массу электрона: она не равна нулю, однако намного меньше, чем масса всех других тяжелых частиц, таких как кварки или бозон Хиггса. Это говорит о симметрии, хотя с небольшим несовершенством, словно пятнышко на лице идеальной красоты. Но существуют также маленькие числа, которые до сих пор не удалось понять, для которых нет известной симметрии. Они — загадки неожиданного мира, загадки фундаментальных частиц, которые должны были оставаться скрытыми; загадки Вселенной, в которой вы и я никогда не должны были родиться.

0,0000000000000001

Неожиданный бозон Хиггса

4 июля 2012 года. Семьи в США праздновали День независимости, однако по-настоящему радостное возбуждение царило в лекционном зале, расположенном у подножия Монблана недалеко от швейцарско-французской границы. Этот зал был крупнейшим в ЦЕРН, европейской организации по ядерным исследованиям, которая проводила масштабный и самый технологически современный эксперимент в истории. Ученые построили машину Большого взрыва — кольцевой коллайдер, который разгонял субатомные частицы почти до скорости света, а затем сталкивал их друг с другом. Физики хотели втиснуть огромное количество энергии в крошечные области пространства, однако под контролем, чтобы зафиксировать происходящее и заглянуть во внутренний механизм фундаментальной физики. Летом 2012 года после некоторых столкновений они увидели нечто важное и были готовы сообщить об этом миру.

В тот день в аудитории собрались пять гигантов физики: Том Киббл, Джерри Гуральник, Карл Хейген, Франсуа Энглер и, конечно, Питер Хиггс. Вместе со своим другом и коллегой Робертом Браутом, умершим годом раньше, они составляли «банду шести», которая сыграла важнейшую роль в понимании происхождения массы в мире, где доминирует симметрия. Их теория, несмотря на широкое признание к тому времени, еще не получила экспериментального подтверждения, а это необходимое условие для получения Нобелевской премии и священный Грааль для любого теоретика. Все изменилось в День независимости США, когда группа из ЦЕРН сообщила о полученных результатах этим пяти ученым и еще полумиллиону наблюдателей в интернете. Они открыли новую частицу с массой около 125 ГэВ и были чертовски уверены, что это и есть бозон Хиггса, или хиггсон.

Было что праздновать: торжествовала как теория, так и эксперимент. В мощных столкновениях частиц ЦЕРН воссоздал печь младенческой Вселенной — первичное скопление кварков, глюонов и других космических ингредиентов. Однако посреди утренних празднеств 4 июля 2012 года скрывалась какая-то темная тайна, нечто тревожное — то, что беспокоило всех теоретиков, собравшихся в зале. Проблема скрывалась в следующем предложении:

Открыта новая частица с массой около 125 ГэВ…

125 ГэВ. Это около 2,2 × 10–25 кг, если перейти на привычные единицы измерения[104]. Почти в миллиард миллиардов раз меньше, чем масса мимариды — самого маленького насекомого в мире. Конечно, не хотелось бы сравнивать мимариду, состоящую из миллиардов и миллиардов атомов, с единственным бозоном Хиггса, однако даже в этом случае хиггсон гораздо легче, чем ожидалось. По общему мнению, он должен был оказаться действительно тяжелой частицей — намного тяжелее, чем электрон или протон. Он должен весить несколько микрограммов. Примерно как мимарида.

Я знаю, о чем вы думаете: какое отношение мимариды имеют к бозону Хиггса? Ответ — никакого, во всяком случае не напрямую. Оказывается, мимарида весит почти столько же, сколько квантовая черная дыра, самый маленький и плотный объект, который допускает гравитация. Это насекомое и квантовая черная дыра могут обладать примерно одинаковой массой, только черная дыра втискивает ее в пространство, которое меньше в миллион триллионов триллионов раз с лишним. Она сжимает одиннадцать микрограммов в шар, радиус которого равен планковской длине, около 1,6 × 10–35 метров. В таких масштабах гравитация начинает разрушать ткань пространства и времени. Это невообразимо маленькое расстояние, но оно должно быть очень важным для хиггсона. Если мы доведем наше понимание физики до этого крохотного порога, бурлящий мир квантовой механики вовлечет бозон Хиггса, и он в итоге встретится лицом к лицу с квантовой гравитацией. Детали я объясню позже в этой главе. А пока попробуйте принять, что бозон Хиггса должен весить столько же, сколько мимарида, и почти столько же, сколько квантовая черная дыра. Однако это не так: его масса составляет 0,0000000000000001 от этой величины, и никто не знает почему.

В предыдущей главе я пытался убедить вас, что крохотные числа требуют объяснения. Когда вы сталкиваетесь с нулем, природа дразнит вас своей красотой — своей симметрией. В конце концов, совершенство заключено в нуле. А как насчет маленького и отличного от нуля числа, например 0,0000000000000001? Это близко к совершенству, но не совсем. Это симметрия с небольшим изъяном, словно половины лица идеально совпадают, за исключением лишней крошечной веснушки на левой щеке. В физическом мире вы не ожидаете увидеть большие или маленькие числа, если не находитесь под заклинанием симметрии. Отношения двух величин, которые вы наблюдаете, должны быть ничем не примечательны: величины различаются примерно в несколько раз. Если же вы видите какие-то примечательные числа, то, скорее всего, и происходит что-то примечательное.

Чтобы убедиться в этом, можно провести небольшой эксперимент. Попросите десять друзей случайным образом выбрать какое-нибудь иррациональное число от –1 до 1. Помните,