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:

125 ГэВ. Это около 2,2 × 10^–25 кг, если перейти на привычные единицы измерения. 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, . 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 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, что иррациональное число — это число, которое нельзя записать в виде отношения двух целых, так что ваши друзья могут выбрать, например, или

Когда они закончат, сложите все полученные числа и опустите знак суммы. Что получилось? Если что-то меньшее, чем 0,0000000000000001, то это, безусловно, примечательный случай. Ваши друзья каким-то образом наколдовали очень маловероятную комбинацию, где числа аннулировали друг друга. Без тайного заговора такого не произойдет. Реальный полученный ответ не окажется близким к нулю. Это будет просто некоторое число — не особо большое, не особо маленькое. Ничего необычного.

Мы можем использовать эту философию для выбора оптимальных научных моделей. Чтобы увидеть, как это может работать, вернемся в начало XVI века, когда большинство людей считало Землю центром Вселенной. Астрономические наблюдения того времени не противоречили этой точке зрения. Их можно было объяснить с помощью древней модели Клавдия Птолемея, при которой все планеты двигаются по круговым орбитам, а для исправления несоответствий с реальной картиной вводятся экванты и эпициклы. Детали не имеют особого значения; важно то, что Земля считалась неподвижной, а все остальные планеты двигались вокруг нее с примерно равными скоростями. В 1543 году эту точку зрения оспорил Николай Коперник, который родился в Королевстве Польском. Коперник был каноником католической церкви, проявлявшим большой интерес к математике и астрономии. Он вдохновлялся трудами Цицерона и Плутарха и утверждал, что Земля не неподвижна — она должна двигаться, как и остальные планеты. В его гелиоцентрической модели Солнце находилось в центре Вселенной, а Земля двигалась по орбите. Астрономические данные того времени не обладали достаточной точностью, чтобы подтвердить или опровергнуть эту принципиально новую идею, поэтому большинство философов полагались на свой внутренний голос. Модель Коперника, казалось, бросала вызов здравому смыслу или, что еще хуже, Библии. Сам ученый предвидел такую реакцию. Опасаясь неизбежных неприятностей, он на десятилетия задержал свою работу, откладывая ее публикацию до самых последних мгновений жизни.

Современники Коперника могли бы придерживаться другого, более просвещенного взгляда, основанного на непримечательных величинах. В гелиоцентрической модели все планеты, вращающиеся вокруг Солнца, движутся примерно с одинаковой скоростью. Быстрее всех Меркурий, который летит со скоростью около 170 000 километров в час, затем Венера со скоростью примерно 125 000 километров в час, Земля — 108 000 километров в час, Марс — 87 000 километров в час и т. д. Хотя планеты явно замедляются по мере удаления от Солнца, отношение их скоростей всегда составляет ничем не примечательное число — не особо большое, не особо маленькое. Но в геоцентрической модели Птолемея это не так. Поскольку предполагается, что Земля неподвижна, то — в отличие от всех других планет — отношение ее скорости к скорости любой другой планеты равно нулю. Таким образом, геоцентрическая модель содержит ноль — необычно малое число, а природа не склонна прибегать к необычным числам без веской на то причины. Сторонников Птолемея следовало бы спросить об этом нуле. Почему Земля должна быть неподвижной? В гелиоцентрической модели мы можем оправдать неподвижность Солнца тем, что оно намного массивнее планет и обладает гораздо большей инерцией. Однако инерция Земли примерно такая же, как у Венеры или Марса. Нет серьезной причины предполагать, что Земля неподвижна, и мы не можем оправдать ноль Птолемея. Даже если бы теории Птолемея и Коперника нельзя было разделить с помощью астрономических данных, мы могли бы привести аргументы в пользу модели Коперника. В конце концов, его модель достаточно хорошо соответствовала наблюдениям и не опиралась на какие-то примечательные числа, которые нельзя было объяснить.

Этот критерий выбора теорий известен как естественность. Теория естественна, если она не содержит необъяснимых и точно подобранных входных параметров. Можно использовать маленькие или точные числа, но только в том случае, если вы понимаете лежащую в их основе физику. Без такого понимания велика вероятность того, что чего-то не хватает или теория принципиально неверна, как в случае геоцентрической космологии. Конечно, отчасти естественность — просто эстетические соображения, ее нельзя использовать до экспериментальных данных. Но когда данные не выглядят особо надежными, естественность кажется полезным помощником. Всякий раз, когда мы видим маленькое число, которое не можем объяснить или оправдать, мы начинаем усиленно размышлять о том, почему оно существует в реальности. Что это за симметрия? Какую новую физику мы упускаем?

Доводы в пользу естественности убедительны не только по математическим причинам, но и потому, что мы очень часто наблюдаем ее реализацию в природе. Например, . Такой ноль не случаен. Это произошло благодаря калибровочной симметрии электромагнетизма — свободе выбора настроек внутреннего диска в каждой точке пространства. Ноль скрывается и в ядерной физике: он завернут во внутреннюю структуру протонов и нейтронов. Кварки, из которых состоят протоны и нейтроны, удерживаются вместе с помощью глюонов. Глюоны также имеют нулевую массу благодаря другой калибровочной симметрии, на этот раз связанной с сильным ядерным взаимодействием, а не с электромагнетизмом.

Но естественность связана не только с нулем. Она относится и к удивительно маленьким величинам. Например, электрон — не безмассовая частица, как фотон или глюон, однако он как минимум в миллион раз легче, чем можно было наивно ожидать. Это маленькое число — миллионная доля или меньше — требует объяснения. И у нас оно есть. Электрон легкий из-за симметрии. Но это не истинная симметрия — та сделала бы электрон безмассовым, — а только приблизительная. Мы не будем особо беспокоиться, что это за симметрия; нам важно то, что она делает: она не дает электрону стать слишком тяжелым. И это очень хорошо. Если бы электрон оказался хотя бы в три раза тяжелее, он бы дестабилизировал атом водорода. Не появились бы ни химия, ни биология, да и мы с вами никогда бы не существовали.

Возможно, величайшая победа естественности пришлась на так называемую Ноябрьскую революцию 1974 года, когда группы из Центра Стэнфордского линейного ускорителя и Брукхейвенской национальной лаборатории обнаружили свидетельства существования нового вида кварков — очарованного кварка. Всего несколькими месяцами ранее в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми около Чикаго два молодых теоретика, Мэри Гайар и Бенджамин Ли, изучали разницу в массе двух вариантов одной высокоэнергетической частицы, известной под названием каон. Они поняли, что без какой-нибудь новой физики принцип естественности потерпит неудачу. Они предположили, что новая физика может принять форму новой разновидности кварков, и очарованный кварк как по заказу оказался там, где естественность его предсказывала.

Перенесемся почти на сорок лет вперед — на собрание в ЦЕРН в День независимости США в 2012 году. На сцене появился бозон Хиггса, соединивший линией отдельные точки в фундаментальной физике и объяснивший, как Вселенная во многом скрывала лежащую в ее основе симметрию. Но, как мы видели, во всей этой шараде было что-то неестественное. Бозон Хиггса оказался в миллиард миллиардов раз легче. Природа не создает таких соотношений без веской причины. Так почему же оно появилось? Какая новая физика может спасти нас? В чем состоит новая симметрия?

Для Гайар и Ли, работавших летом 1974 года, новая физика нашлась очень быстро, и естественность была спасена. Однако после собрания в ЦЕРН в 2012 году прошло уже десять лет, а мы все еще пытаемся понять загадку бозона Хиггса. Новая физика, которую обещала естественность, все еще не проявила себя. Неужели естественность наконец потерпела неудачу? Неужели мы обречены жить в неожиданной и маловероятной Вселенной, даже не понимая почему? Нам нужно поближе посмотреть на эту новую проблемную частицу. Да и в целом стоит повнимательнее рассмотреть все частицы.

Аристотель возненавидел бы бозон Хиггса. По правде говоря, он испытал бы отвращение ко всем частицам. Его бы оттолкнула мысль о том, что калейдоскоп природы на самом деле состоит из миллиардов и миллиардов этих миниатюрных кирпичиков. Аристотель воевал с атомистами: вел кампанию против учения Левкиппа и его ученика Демокрита — первых физиков, занимавшихся частицами. Они говорили, что вся материя состоит из крошечных неделимых кусочков, находящихся в пустоте пространства. Философы утверждали, что эти частицы (они предпочитали называть их атомами) могут иметь самые разные формы: одни выпуклые, другие вогнутые, на них могут быть крючки и дырки, с помощью которых они соединяются. Атомисты полагали, что их частицы могут объяснить человеческие ощущения. Например, причиной горечи становятся угловатые частицы, оказывающиеся на языке, а сладость исходит от более округлых. Современная теория элементарных частиц, конечно, немного сложнее, но в своей основе она поддерживает атомистическое представление. Материя действительно состоит из крошечных неделимых частиц, но теперь мы называем их кварками и лептонами. Они танцуют друг с другом и с переносчиками взаимодействий, которые сами являются частицами, но другого рода. Этот балет разрастается до уровня химических связей и животворного искусства биологии.

О чем вы думаете, когда представляете какую-нибудь частицу? Я не думаю, что вы воображаете крючки и дырки, как античные атомисты. Возможно, вы представляете пылинку или крупинку пыльцы. Это, безусловно, ближе к истине, но все равно не то, что мы на самом деле имеем в виду, когда говорим о бозоне Хиггса, электроне или любой другой элементарной частице. Чтобы понять, что на самом деле представляет собой какая-то частица, нам сначала нужно поговорить о полях. В детстве я считал, что поле — это только место, где можно играть в футбол, однако в физике есть другие виды полей — невидимых сил, которые толкают и тянут. Существуют электромагнитные поля, проявляющие свою невидимую силу в притяжении магнита или в ярости грозы. И гравитационные поля, управляющие движением планет и разрывающие звезды, когда они слишком близко подходят к черной дыре. Но можно также представить электронные поля, кварковые поля и даже поле бозона Хиггса. На самом деле в поле нет ничего необычного или загадочного. Это просто нечто, принимающее разные значения в разных точках пространства и времени, и вы можете изобразить эти данные. Например, вы можете говорить о поле распределения температур на карте погоды, указывая неизбежные холода в Англии и тепло в Италии или Испании. Вы также можете говорить о поле атмосферного давления, отображающем давление воздуха, или о поле плотности в галактике, отображающем распределение межзвездного газа либо более крупных объектов, например звезд и планет. Электромагнитное поле — просто одна из таких карт, набор чисел, помечающих каждую точку пространства и времени, только теперь здесь кодируется сила электромагнитного фона.

Конечно, электромагнитное поле превосходит другие в одном смысле: это пример фундаментального поля, его нельзя разрезать и выявить лежащую в его основе структуру. Существуют и другие фундаментальные поля, такие как поле электрона, поле бозона Хиггса, поле верхнего кварка, нижнего кварка, Z-бозона и, конечно, гравитационное. Список можно продолжить. Некоторые из этих полей, например электронные и квантовые, имеют смысл только на квантовом уровне, а другие, например электромагнетизм и гравитация, могут существовать в макроскопических масштабах. Скоро мы объясним, как они работают. Но каким бы ни было поле, мы должны думать о нем как о некой специальной карте — ряде чисел, разбросанных по пространству и времени и кодирующих соответствующие физические эффекты. Например, если поле электронов везде равно нулю, вы можете быть уверены, что никаких электронов не найдете.

Где во всем этом появляются частицы? , частица в реальности является всего лишь крохотной вибрацией — квантовой рябью в квантовом поле. Представьте поверхность моря как аналог величины какого-то фундаментального поля; уровень медленно поднимается и опускается вместе с океанскими волнами. На вершине волны вы можете представить крошечную рябь — это эквивалент какой-то частицы. Рябь в разных полях дает разные частицы. Рябь в поле электрона дает электрон, в электромагнитном — фотон, в гравитационном — гравитон, в поле верхнего кварка — верхний кварк. Можно продолжать и дальше.

Также говорят о реальных или виртуальных частицах — у вас могут быть настоящие фотоны, но могут быть и виртуальные. То же справедливо для электронов, кварков, глюонов и всех прочих элементарных частиц. Все это звучит несколько загадочнее, чем есть на самом деле. Настоящая частица — та, которую вы можете «подержать в руке», например реальный фотон, испускаемый свечой, или реальный электрон, пролетающий через две щели в классическом эксперименте квантовой механики. Виртуальную частицу вы подержать не сможете. И не потому, что она теряется в эфире какой-то игры с виртуальной реальностью, а потому, что она вообще не частица. Это просто некое возмущение поля, вызванное другими частицами и другими полями. Например, электрон создает какое-то возмущение в электромагнитном поле, это возмущение ощущает другой электрон, и наоборот. Именно это возмущение и отталкивает электроны. Вы даже можете считать виртуальный фотон какой-то рябью, но это не настоящая частица в каком-либо смысле, а виртуальная. Рябь виртуального фотона не перемещается автоматически со скоростью света, как это происходит с реальными фотонами, и нет никакого способа ее ухватить.

Виртуальные частицы — просто удобный способ представлять, как разные поля могут влиять друг на друга. Часто можно услышать аналогию с двумя фигуристками, бросающими друг другу мяч. Когда они кидают мяч или ловят его, то неизбежно чуть отодвигаются назад, словно их оттолкнула другая фигуристка. Фигуристки подобны электронам, ощущающим электромагнитное отталкивание, а мяч — виртуальному фотону, переносящему это взаимодействие от одной фигуристки к другой. Для силы притяжения эта аналогия работает не так хорошо, но мы по-прежнему воображаем виртуальные частицы, проходящие между заряженными объектами.

Большинство частиц также обладает внутренней способностью «вращаться» (физики используют термин «спин»). Об этом стало известно, когда в начале 1920-х два немецких физика, Отто Штерн и Вальтер Герлах, начали экспериментировать с магнитами и атомами серебра. Спин — на самом деле форма углового момента, который мы обычно связываем с вращательным движением каких-либо объектов (мяча для настольного тенниса или вальсирующих людей). Это достаточно легко представить применительно к мячу для настольного тенниса и даже применительно к квантовому мячу для настольного тенниса, но несколько сложнее вообразить, что это в реальности означает для элементарных частиц. Причина в том, что они бесконечно малы. Когда фигурист вращается на льду, он прижимает руки, чтобы крутиться быстрее. Это срабатывает, потому что угловой момент спортсмена сохраняется. Угловой момент зависит от двух параметров: скорости вращения и «разброса» вокруг оси вращения. Когда фигурист прижимает руки, его тело в целом становится немного ближе к оси вращения, и это приходится компенсировать более быстрым вращением. Если же мы имеем дело с бесконечно маленькой частицей, то для существования определенного углового момента требуется вращение с бесконечной скоростью. Это явно не может быть истиной, но что же происходит на самом деле? В случае с точечными частицами мы говорим об их собственном спине — способности выглядеть и действовать так, как будто они вращаются, хотя на самом деле они вовсе не вертятся в бесконечном безумии. Думайте о них как о политиках. Работа политиков состоит в том, чтобы выглядеть и действовать так, как будто они заботятся о ваших интересах. Делают ли они это на самом деле — совершенно другой вопрос.

С такой оговоркой представим частицу в виде мячика для настольного тенниса, уменьшенного до микроскопических размеров. Частицы с разным спином будут вести себя по-разному, когда вы станете их вращать. Предположим, вы нарисовали на мяче смайлик. Когда вы поворачиваете мяч, вид на смайлик неуклонно меняется, и только после целого оборота он выглядит точно так же, как в начале. Именно это происходит с фотоном и другими частицами с так называемым единичным спином. Чтобы вернуть их в исходное квантовое состояние, нужно совершить один полный оборот. Чтобы определить, что происходит с гравитоном, который имеет спин 2, нам нужно нарисовать точно такой же смайлик на противоположной стороне мяча. Когда мы вращаем такой мяч, исходная картина восстанавливается дважды за один оборот — через 180 и 360 градусов. Частица со спином 2 вернется в исходное квантовое состояние дважды за один оборот. Частица со спином 3 вернется три раза и т. д.

Все частицы, которые мы только что описали, имеют целочисленный спин, однако существуют и частицы с полуцелым спином. Что происходит, когда мы поворачиваем частицу с полуцелым спином? Здесь все немного хитрее. Давайте вместо мяча для настольного тенниса рассмотрим уменьшенного до квантовых размеров моллюска, который называется адский кальмар-вампир. Вы, наверное, ожидаете, что после одного полного оборота кальмар будет выглядеть точно так же, как и раньше. А вот и нет. Кальмар вывернулся наизнанку. Инвертировал сам себя. Оказывается, кальмары-вампиры действительно могут это делать, но, если перейти на язык квантовой механики, мы на самом деле имеем в виду следующее: волна вероятности перевернулась, гребни стали впадинами и наоборот. Именно это всегда происходит с частицами с полуцелым спином: после одного полного оборота они переходят из одного состояния в противоположное, словно вывернулись наизнанку! Только после второго оборота они оказываются в исходном состоянии.

Спин позволяет нам разделить частицы на два разных лагеря. С одной стороны — частицы с целочисленным спином, которые отвечают за фундаментальные взаимодействия; их называют бозонами. К ним относится переносчик электромагнитного взаимодействия фотон, спин которого равен 1. Существуют также W- и Z-бозоны и глюоны — переносчики слабого и сильного взаимодействий соответственно; их спин тоже равен 1. Есть еще гравитоны — пока не обнаруженные кванты со спином 2, которые, предположительно, несут ответственность за гравитационное взаимодействие. Легкие частицы — например, фотон — действуют на очень больших расстояниях. Но когда переносчиком становится тяжелая частица, она быстрее выдыхается и диапазон ее действия оказывается меньше. Именно это мы видим в случае W- и Z-бозонов, отвечающих за слабое ядерное взаимодействие.

С другой стороны — частицы с полуцелым спином, например электроны и кварки. Это фермионы. Они отвечают за наполнение Вселенной. Именно из них состоит материя. Фермионы составляют все вещества — звезды, планеты, леденцы… Тому есть очень веская причина. Фермионы не любят, когда их сваливают в кучу в одном состоянии. Природа фактически запрещает, чтобы в какой-то квантовой системе два фермиона находились в одном и том же квантовом состоянии. Это принцип исключения Паули, названный в честь блестящего немецкого физика Вольфганга Паули, с которым мы познакомимся получше в следующих двух главах.

Принцип работает так. Представьте, что два фермиона плавают внутри чашки чая. Что произойдет, если вы поменяете их местами? Фермионы — штучки неуклюжие. Если их поменять местами, они перевернут волну вероятности, описывающую чай: положительный гребень станет отрицательной впадиной и наоборот. Это драма кальмара-вампира, который снова и снова выворачивает себя наизнанку. Если два фермиона будут идентичными, то у вашего чая возникнут проблемы. Под идентичными я подразумеваю подлинных двойников вплоть до их квантовой ДНК — тот же спин, та же энергия, то же мнение о Брексите и т. д. Если их поменять местами, то ничего не изменится. Как это? В конце концов, они же двойники. А ведь мы только что сказали, что все переворачивается. Если переворачивание какой-то волны оставляет ее неизменной, это значит, что у нее изначально не было ни пиков, ни впадин! Куда ни глянуть, волна должна быть идеально плоской, скромно стоящей на нуле. Поскольку в действительности это волна вероятности, получается, вероятность нулевая. Иными словами, у чашки чая с одинаковыми фермионами нет шансов на существование. Что касается кальмара-вампира, то он обычно выворачивается, чтобы отогнать хищников. Если бы он выглядел точно так же внутри, как и снаружи, эта стратегия не сработала бы и такое животное не могло бы выжить. Это и есть принцип исключения Паули.

Паули был ярким и бескомпромиссным ученым. На протяжении всей карьеры он славился перфекционизмом, цепкостью и упорством; его называли Совестью Физики за пугающую способность безжалостно критиковать ошибки современников. Рудольф Пайерлс, работавший некогда помощником Паули, вспоминает в мемуарах о некоторых таких критических отзывах. Однажды у Паули спросили мнение о работе одного молодого и неопытного физика. Паули был настолько не впечатлен, что ответил: «Это даже не ошибочно». С тех пор эта фраза вошла в лексикон теоретической физики как способ описать плохую науку. Справедливости ради следует сказать, что Паули мог быть столь же жестким и с более известными коллегами. Однажды он провел день в горячих спорах с великим русским физиком Львом Ландау. Ландау спросил, считает ли Паули все сказанное им вздором. «О нет! Вовсе нет, вовсе нет! — заметил немец. — То, что вы рассказывали, настолько запутано, что никто бы не осмелился сказать, вздор это или нет!»

К бозонам принцип исключения неприменим. Они общительны и рады собраться вместе в одном и том же квантовом состоянии. И именно эта коммуникабельность часто позволяет им превращаться в гигантских бестий макроскопического масштаба. Это особенно важно для злодеев из бондианы, которые обожают строить гигантские лазеры, угрожающие всему человечеству. Лазер — это масштабная совокупность реальных фотонов, многие из которых находятся в одном и том же квантовом состоянии, а их фазы синхронизированы. Макроскопические волны, которые мы наблюдаем в электромагнетизме и гравитации, на самом деле представляют собой реальные фотоны и гравитоны, объединенные в огромных количествах, — и сделать это можно только с бозонами.

Большинство из нас знакомы с электромагнетизмом и гравитацией, а вот два других взаимодействия менее известны, главным образом потому, что действуют только на коротких расстояниях — внутри ядра атома. Как мы вскоре увидим, это мир кварков, связанных воедино глюонами и превращающихся друг в друга с помощью W- и Z-бозонов. Это микроскопический ералаш, который возможен благодаря неизбежному бозону Хиггса, способному высвободить потрясающую мощь — от живительного тепла Солнца до ужаса ядерного апокалипсиса. Как я говорил ранее, этот сложный зоопарк субатомных частиц не вызвал бы симпатии у Аристотеля и его последователей. А у его противника Демокрита и других атомистов? Думаю, им бы он понравился.

Давайте отправимся в атом.

Внезапно вы оказываетесь в крошечной солнечной системе с планетарными электронами на орбитах вокруг микроскопического «Солнца», которое называют ядром. Конечно, этими атомными орбитами управляет не гравитация, как в настоящей Солнечной системе, а электромагнетизм. Электромагнитное взаимодействие между отрицательно заряженным электроном и положительно заряженным ядром примерно в тысячу триллионов триллионов триллионов раз сильнее, чем гравитация. Ядро состоит из протонов и нейтронов: протоны придают ему положительный электрический заряд, необходимый для притягивания электронов, а нейтроны электрически нейтральны, как следует из их названия. В зависимости от элемента в ядре может оказаться разное количество протонов. В ядре атома водорода всего один протон, а в ядре атома золота — семьдесят девять. Это приводит нас к первой загадке атома: хорошо известно, что положительные электрические заряды отталкиваются друг от друга, так каким же образом семьдесят девять протонов собираются вместе в таком ничтожном пространстве? Что-то должно притягивать нейтроны и протоны с достаточной силой, чтобы преодолеть электромагнитное отталкивание. Мы знаем, что это не гравитация: она слишком слаба. Здесь нужно что-то посильнее.

Если бы нас заботили только протоны и нейтроны, история сильного взаимодействия была бы относительно простой. Однако за десятилетия, последовавшие за Второй мировой войной, физика элементарных частиц стала куда богаче и страннее, чем кто-либо мог себе представить. Фотографии начали фиксировать следы космических лучей, пробивающих путь через атмосферу Земли. Обнаружилось множество новых великолепных частиц, многие из которых танцевали под дудку сильного ядерного взаимодействия. Тут были пионы и каоны, эта- и ро-мезоны, лямбда-барионы и кси-гипероны — члены большого семейства частиц, сейчас называемых адронами. Многим ученым было трудно идти в ногу со всеми новыми открытиями. Говорят, что Паули, который никогда не стеснялся выражать свое мнение, жаловался: «Если бы я предвидел это, я бы занялся ботаникой».

Возможно, Паули и хмурился, глядя на этот зоопарк шумных новых открытий, а вот молодой ученый из Нижнего Манхэттена по имени Марри Гелл-Манн начал улавливать в них закономерности. Вместе с израильским физиком Ювалем Неэманом Гелл-Манн исследовал свойства этих новых частиц и уложил их в красивые конструкции из восьми и десяти элементов, которые могли быть вполне уместны в Альгамбре в Испании. Такая организованная красота не могла возникнуть случайно, в ее основе должна лежать какая-то структура, и Гелл-Манн понял какая. К той же гипотезе пришел Джордж Цвейг — молодой американский ученый, только что защитивший диссертацию в Калифорнийском технологическом институте под руководством Ричарда Фейнмана.

Гелл-Манн назвал придуманные частицы кварками, Цвейг — тузами, но это было одно и то же. Из этих кирпичиков построены протоны, нейтроны, пионы и все остальные адроны. Сейчас нам известно шесть типов кварков: верхний, нижний, странный, очаровательный, истинный и прелестный. Все они фермионы, некоторые легче других, обладают различным электрическим зарядом и другими квантовыми свойствами, например изотопическим спином, очарованием и странностью. При объединении трех кварков получается частица, которая называется барионом; к барионам принадлежат, например, протон и нейтрон. Мезоны (к которым относится, например, пион) состоят из двух кварков. Различные комбинации кварков обеспечивают разные свойства частиц. Например, протон состоит из двух верхних кварков и одного нижнего. Кварки имеют дробные электрические заряды, — например, верхний кварк имеет заряд +²/₃, а нижний — ¹/₃. Отсюда вытекает, что протон имеет единичный положительный заряд. Нейтрон состоит из двух нижних кварков и одного верхнего, поэтому оказывается электрически нейтральным.

В этот момент призрак Паули должен что-то прошептать вам на ухо. Кварки — это фермионы. Как может протон содержать два верхних кварка — иными словами, два одинаковых фермиона? Разве это не запрещено принципом исключения? Безусловно, запрещено, и это было бы невозможно, если бы два верхних кварка были действительно одинаковыми. Но это не так. Кварки также могут обладать разными цветами: красным, зеленым или синим. Соответственно, если один верхний кварк в протоне красный, другой должен быть либо зеленым, либо синим. Конечно, этот цвет не имеет ничего общего с тем, что мы обычно называем цветом; это просто название для нового типа заряда. Фейнман был не в восторге от этой двусмысленности и заявил, что эти «физики-идиоты», должно быть, «не способны придумать какие-нибудь замечательные греческие слова» для этого нового причудливого признака.

Возможно, это была насмешка над Гелл-Манном. У этих двух ученых, офисы которых в Калифорнийском технологическом институте находились всего в нескольких дверях друг от друга, были непростые отношения. Фейнман часто высмеивал страсть Гелл-Манна к тому, чтобы давать названия вещам. Однажды он рассказал историю о том, как Гелл-Манн пришел к нему в пятницу, отчаянно пытаясь придумать хорошее название для нового типа частиц в своей работе. Фейнман дерзко предложил назвать их словом quack («шарлатан, обманщик»). В следующий понедельник взволнованный Гелл-Манн подошел к нему и сказал, что нашел идеальное слово, увидев в романе Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану» фразу: «Три кварка для мастера Марка».

Так что не предложенный Фейнманом quack, а quark.

Возможно, Гелл-Манн Фейнману и не нравился, однако нет сомнений, что Фейнман чрезвычайно его уважал. В 2010 году мне выпала честь побывать на конференции в Сингапуре, посвященной восьмидесятилетию Гелл-Манна. Она собрала множество звезд, — во всяком случае, так казалось фанату физики вроде меня. Помимо Гелл-Манна, присутствовали еще три лауреата Нобелевской премии: , ученик Гелл-Манна Кеннет Вильсон и китайский физик Янг Чжэньнин, также известный под именем Фрэнк Янг (которое он взял в честь американского ученого Бенджамина Франклина). Там был и Джордж Цвейг. И все же, хотя Гелл-Манна окружало множество самых острых умов из новейшей истории физики, он выделялся на их фоне. Он излучал такие уверенность и интеллект, которых я никогда не видел ни до, ни после. Признаюсь, я был немного одержим знаменитостями. Гелл-Манн на тот момент был последним представителем золотого поколения физиков. Человеком, который препирался с Фейнманом в Калифорнийском технологическом институте, который в сорок лет стал лауреатом Нобелевской премии, а в последующие годы легко мог получить еще две или три. Его интеллектуальные способности намного превышали способности обычных людей. К девяти годам он запомнил Британскую энциклопедию, а во взрослом возрасте свободно говорил по крайней мере на тринадцати языках.

Кварки Гелл-Манна — строительные блоки для всей материи наряду с другим семейством фермионов, известных как лептоны. К лептонам относятся электрон и его более тяжелые собратья, мюон и тау-лептон, а также восхитительно названные нейтрино, с которыми мы встретимся чуть позже, когда будем говорить о слабом ядерном взаимодействии. Хотя лептоны и кварки имеют много общего, у них есть очень важное различие. Лептоны невосприимчивы к сильному ядерному взаимодействию. Они вообще не могут в нем участвовать. А вот кварки находятся в его плену. Сильное взаимодействие связывает их вместе, навеки заключая внутри адронов. В отличие от лептонов, кварки никогда не могут оказаться свободными. Это проклятие конфайнмента. Конфайнмент означает, что вы никогда не найдете кварк, блуждающий в одиночестве по космосу. Он всегда будет прикован цепями к другим кваркам в клетке протона, нейтрона или какого-либо иного адрона. Эти цепи состоят из глюонов — частиц, переносящих сильное взаимодействие и лишающих кварки свободы.

Глюоны — тюремщики не только для кварков, они также лишают свободы друг друга. Они притягивают и другие глюоны, и кварки, стягивая силовые линии, и в итоге конфайнмент удерживает их всех. Вот почему мы не видим сильного взаимодействия в нашей макроскопической жизни. Несмотря на то что глюон не имеет массы, конфайнмент удерживает эту силу внутри ядра. Пока мы еще не понимаем процесс полностью: эта проблема — одна из семи задач тысячелетия, установленных Математическим институтом Клэя. За ее решение назначена премия в миллион долларов, так что если вы сможете справиться с нею, то станете богатым.

Разумеется, именно Гелл-Манн и его сотрудники в начале 1970-х собрали воедино известные человечеству факты. Поскольку атрибут кварков и глюонов назвали цветом, эта теория стала известна как квантовая хромодинамика, для краткости — КХД. Ее семена были посажены несколько десятилетий назад, когда Фрэнк Янг (один из делегатов на конференции в Сингапуре) и его американский коллега Роберт Миллс придумали причудливую версию электромагнетизма, которая сейчас называется теорией Янга — Миллса. Эта новая теория содержала собственную промежуточную частицу, новый калибровочный бозон, который можно было считать более сложным родственником фотона. Когда Янг делал доклад в Принстоне, Паули спросил его о массе этой предполагаемой новой частицы. Для Паули этот вопрос имел решающее значение, поскольку такой частицы никогда не видели. Янг сказал, что не знает ответа. Паули настаивал, и Янг был настолько ошеломлен этой яростной атакой, что прекратил доклад и сел в первый ряд. Ситуация была крайне неловкой. После вмешательства Оппенгеймера Фрэнк продолжил выступление, а Паули больше не вмешивался, но на следующий день отправил Янгу записку с сожалениями, что не удалось поговорить после семинара. Сейчас мы знаем ответ на вопрос Паули. Благодаря задействованным симметриям переносчик Янга вообще не имеет массы. Немного подкорректировав симметрии, но не массу, Гелл-Манн отождествил эту новую частицу с глюоном — цепью, которая связывает вместе протоны, нейтроны и ядро атома в целом. Это был переносчик сильного взаимодействия.

У слабого ядерного взаимодействия незавидное место рядом с другими, у которых гораздо более впечатляющие названия: гравитационное, сильное, электромагнитное. Ирония судьбы в том, что слабое взаимодействие как раз не самое слабое из четырех фундаментальных взаимодействий. Это бесчестье выпало гравитации, которая более чем в триллион триллионов раз слабее.

Конечно, слабое взаимодействие не так сильно, как сильное ядерное взаимодействие или даже электромагнетизм, но пусть это вас не смущает. Оно — солнечный свет субатомного мира. Причем в буквальном смысле: именно слабое взаимодействие отвечает за животворный свет нашего светила. Когда два ядра атомов водорода соединяются внутри солнечного ядра, есть шанс, что один из этих двух протонов превратится в нейтрон, что позволит появиться дейтрону — ядру дейтерия, тяжелой формы водорода. Это первый шаг в процессе ядерного синтеза, который позволяет Солнцу генерировать столько энергии. Как мы вскоре увидим, именно слабое взаимодействие позволяет протонам и нейтронам превращаться друг в друга. Это сила радиоактивности.

Как часто бывает в физике, все началось с головоломки. Накануне Первой мировой войны молодой британский физик по имени Джеймс Чедвик отправился в Берлин, чтобы поработать с Хансом Гейгером. Гейгер недавно разработал свой знаменитый счетчик, и Чедвик использовал его для исследования спектра излучения, которое появляется в результате ядерного процесса, названного бета-распадом. В то время считалось, что бета-распад происходит, когда тяжелое атомное ядро выбрасывает электрон. Как и все в квантовом мире, энергия ядер до и после распада должна принимать весьма точные значения. Поскольку все верили, что энергия сохраняется, то же должно было происходить и с электронами, из которых состоит излучение. Однако дела обстояли иначе. Чедвик заметил, что электроны обладают произвольным количеством энергии, — ее распределение было непрерывным. Казалось, бета-распад противоречит идее, что энергия не создается и не уничтожается. Полученный результат привел физику в смятение. Даже великий Нильс Бор был готов отказаться от закона сохранения энергии, отбросив вывод, сделанный задолго до того Юлиусом Майером, который изучал кровь моряков своего судна. Когда разразилась война, застрявший в Германии Чедвик был в лагере для гражданских интернированных лиц. Нужно отдать должное немецким охранникам: ему позволили устроить лабораторию и снабдили его необходимой для экспериментов радиоактивной зубной пастой.

Решение головоломки Чедвика дал другой немец. Оно пришло в виде необычного письма, отправленного Паули участникам конференции, которая состоялась в Тюбингене в декабре 1930 года. Паули не смог присутствовать лично, поскольку предпочел посетить бал в Цюрихе. Однако его виртуальный вклад обеспечил этой конференции место в истории физики. Паули никогда не довольствовался скучными вступлениями и на этот раз начал свое письмо так: «Уважаемые радиоактивные дамы и господа». Далее он высказал замечательную догадку: проблему бета-распада можно решить с помощью крохотных нейтронов. Суть в том, что они выбрасываются в виде излучения вместе с электронами и уносят с собой недостающую энергию в эксперименте Чедвика. Нейтроны Паули — вовсе не те частицы, которые, как известно, находятся вместе с протонами в ядре атома. Нейтроны ядра Чедвик откроет через год-два, и они окажутся намного тяжелее, чем частица, предложенная Паули. Последнюю мы теперь называем нейтрино — нечто маленькое, легкое и электрически нейтральное.

Когда в 1933 году Паули выступил с докладом о своих маленьких частицах на конференции в Брюсселе, это произвело глубокое впечатление на отца фермионов Энрико Ферми. Ферми вернулся в Рим, полный решимости собрать воедино все детали идеи Паули. Он понял, что, когда ядро атома при бета-распаде выбрасывало электрон, последний вовсе не находился в ядре в готовом виде. Происходило нечто совершенно новое. Нейтрон внутри ядра распадался под действием новой неизвестной силы, сейчас мы ее называем слабым взаимодействием. Продуктом этого распада оказывались протон, электрон и одно из нейтрино Паули. Строго говоря, это антинейтрино, но не будем особо беспокоиться об этом. Не стоит думать, что нейтрон состоит из протона, электрона и нейтрино, а затем распадается. Он буквально превращается в них, как субатомный оборотень. Как только такое преобразование завершено, появившийся протон увеличивает атомный номер ядра, перемещая его на одну позицию вверх в периодической таблице, а электрон и нейтрино выбрасываются в виде излучения. Новая сила Ферми, ответственная за всю эту радиоактивную драму, действует на бесконечно малом расстоянии, будто переносчик — бесконечно тяжелая частица. Такие силы мы сейчас называем контактными: в одной точке в один момент времени взаимодействуют нейтрон, протон, электрон и нейтрино. Когда Ферми отправил свою работу в журнал Nature, ее отвергли как слишком далекую от физической реальности. Позже журнал признал, что отказ стал одной из величайших редакционных ошибок в его истории. Ферми тяжело воспринял отвод и решил, что ему надо на некоторое время отойти от теоретической физики. Он сосредоточился на экспериментах и в 1938 году получил Нобелевскую премию. Ферми разработал метод замедления нейтронов, и в результате они стали более точными снарядами для расщепления атомных ядер. Он осознал огромный потенциал извлечения энергии из атома и проложил путь к ядерной энергетике в промышленных масштабах.

Нейтрино трудно обнаружить. Проблема в том, что у них почти нет массы и нет заряда, поэтому они практически ни с чем не взаимодействуют. Это и к лучшему, поскольку в данный момент через ваше тело каждую секунду проходит примерно 100 трлн нейтрино. Благодаря этой способности оставаться инкогнито нейтрино экспериментально открыли только в 1956 году — спустя двадцать с лишним лет после первоначальной гипотезы Паули и Ферми. Когда Паули получил телеграмму с извещением об открытии, он ответил: «Спасибо за сообщение. Все приходит к тому, кто умеет ждать».

Через шесть месяцев после открытия нейтрино мир физики был потрясен еще более замечательным экспериментом. Руководила им Ву Цзяньсюн, которую обычно называли мадам Ву. Она выросла в китайском городке Люхэ, недалеко от устья Янцзы, в семье учителя и инженера, которые активно поощряли ее стремление к науке. В этой прогрессивной среде она получила хорошее образование. Позже она сказала в интервью журналу Newsweek: «В китайском обществе женщин оценивают исключительно по их достоинствам. Мужчины поощряют их преуспевание, и им не приходится ради успеха изменять свои женские качества». Но когда она в 1936 году приехала в США, чтобы поступить в докторантуру в Мичиганском университете, она столкнулась совсем с иной ситуацией. Студенткам не разрешалось входить в новый студенческий центр через парадный вход — им приходилось пробираться через боковой. Ву была так потрясена сексизмом, что отправилась на Западное побережье, в Калифорнийский университет в Беркли, где отношение к женщинам было более либеральным. Но даже там у нее возникали сложности, поскольку, по мнению других людей, ученые должны выглядеть не так. Ву была хорошенькой и миниатюрной, газета Oakland Tribune сообщала, что она больше похожа на актрису, чем на ученого. Но, несмотря на все предубеждения, она заработала себе серьезную репутацию физика-ядерщика. Вскоре ее стали сравнивать с Марией Кюри, польским химиком, которая открыла первые секреты радиоактивности; с той самой женщиной, которой Ву восхищалась больше, чем кем-либо другим.

К середине 1950-х Ву проводила эксперименты с бета-распадом в своей низкотемпературной лаборатории в Вашингтоне. Двое ее китайских коллег, теоретики Фрэнк Янг и Ли Чжэндао, предложили ей поискать нечто совершенно неожиданное: спросить Вселенную, есть ли в ней разница между левым и правым. Представьте, что Вселенная отразилась в зеркале, где мы меняем местами лево и право. Окажется ли там физика иной? В то время большинство ученых полагало, что нет. Электрон по-прежнему будет притягиваться к протону и отталкиваться от других электронов. Земля по-прежнему будет вращаться по эллиптической орбите вокруг Солнца. Смерть и налоги по-прежнему будут существовать. Но когда Ву провела эксперимент, предложенный Янгом и Ли, она заметила, что при бета-распаде всегда вылетают левые электроны. Если смотреть в направлении движения, то левый электрон — тот, который кажется вращающимся против часовой стрелки, а правый — вращающимся по часовой стрелке. Результат Ву доказал, что наша Вселенная может установить разницу между левым и правым, между движением по часовой стрелке и против нее. Он заявил: если вы войдете в зеркальный мир, физика изменится. Изменится не все: гравитация, электромагнетизм и сильное взаимодействие останутся прежними. Но слабое взаимодействие начнет вести себя иначе.

За это открытие Янг и Ли вскоре получили Нобелевскую премию, однако вклад Ву по необъяснимым причинам остался обойден вниманием. Оба теоретика осознавали нелепость такого решения и неоднократно номинировали ее на премию в дальнейшем, но безуспешно. После новаторского эксперимента Ву левое и правое стали иметь значение, а это означало, что требовалось обратить внимание на теорию Ферми. Гарвардский физик Роберт Маршак и его индийский студент Джордж Сударшан придумали универсальный рецепт для слабого взаимодействия, известный под названием V-A теории. По духу она была близка к идее Ферми, но показывала разницу относительно зеркального отражения. Теория одинаково хорошо работала как для распадов с участием электронов, так и для распадов с участием их более тяжелых собратьев — мюонов. Хотя нет сомнений в том, что первыми эту теорию создали Маршак и Сударшан, признание по большей части ушло к эксцентричной паре из Калифорнийского технологического института. Фейнман и Гелл-Манн разрабатывали схожие идеи примерно в то же время, а опубликовали их раньше. Они также были немного шумнее друзей из Гарварда. Это соперничество несколько ухудшило отношения между ними. После того как Фейнман сделал характерный для него стильный доклад о своей работе в Американском физическом обществе, Маршак схватил микрофон. «Я был первым! — кричал он. — Я был первым!» Фейнман невозмутимо ответил: «Я знаю только, что я был последним».

Так же как в теории Ферми, в V-A теории силы действуют на бесконечно малых расстояниях, частицы соприкасаются в одной точке. Но мы знаем, что на самом деле взаимодействия работают не так: всегда есть какой-то переносчик. Почему же эксперимент подтвердил V-A теорию? Представьте голливудскую модницу, посылающую другу воздушный поцелуй; при этом губы не соприкасаются. Если эта модница предпочитает воздушные поцелуи на совсем близком расстоянии, издалека может показаться, что касание есть. Аналогичным образом возникает и V-A теория. Может показаться, что частицы соприкасаются, но лишь потому, что переносчик действует на очень малом расстоянии: он слишком тяжелый.

Так что же это за тяжеловес, переносящий взаимодействие? Оказывается, существуют три частицы, которые могут переносить слабое взаимодействие, все они имеют большую массу и единичный спин. Два из них — W-бозоны — еще до появления V-A теории идентифицировал американский физик Джулиан Швингер. Он принадлежал к тому же поколению, что и Фейнман, и этих гигантов теоретической физики часто сравнивали. Яркий Фейнман руководствовался интуицией, Швингер отличался осторожностью и изощренностью. В теории Ферми нейтрон превращается в протон, выбрасывая электрон и антинейтрино. Швингер хотел в этот процесс втиснуть свой новый бозон, как в игре «Третий лишний», чтобы остановить «поцелуй» четырех частиц. Иными словами, ему хотелось, чтобы нейтрон превращался в протон, испустив сначала отрицательно заряженный W-бозон, как показано на рисунке ниже. В других процессах участвовал положительно заряженный W-бозон, так что всего у физика имелось два W-бозона.

Казалось, что электромагнетизм и слабое взаимодействие танцуют в одном зале, хотя и совершают несколько разные шаги. В некотором смысле это танец электрического заряда. С одной стороны, у вас есть электромагнитная сила, перемещающая заряды в пространстве: электроны отталкивают электроны и притягивают протоны. С другой — у вас имеется слабое взаимодействие, способное изменять электрический заряд; оно может превращать электрически нейтральный нейтрон в положительно заряженный протон. Это также означает, что слабое взаимодействие переносится частицами, имеющими собственный электрический заряд и ощущающими электромагнитную силу! Может быть, электромагнетизм и слабое взаимодействие — разные стороны одной медали? Можно ли упаковать W-бозоны и фотон в один сверток, взяв две фундаментальные силы природы и объединив их?

Швингер считал именно так. Он попытался сшить две силы вместе. Это напоминало попытку художников создавать орнаменты на стенах Альгамбры, хотя, . Чтобы получить узор, вы не можете соединять все что заблагорассудится. Вот почему на стенах и полах древних исламских дворцов появляется всего семнадцать орнаментов. И именно поэтому Швингер не смог сшить вместе фотон и пару W-бозонов. В конце концов, дисбаланс был слишком велик: электрически нейтральным оказался один бозон (фотон), а заряд несли два. Чтобы получился орнамент — и сохранялась симметрия, — требовался еще один нейтральный бозон. Эту частицу мы сейчас называем Z-бозоном. Нехватку этого компонента понял парень из Бронкса Шелдон Глэшоу. Он был аспирантом Швингера, хотя из комментариев к его статье видно, что Шелдона вдохновляли также беседы с Гелл-Манном.

Все сходилось — в буквальном смысле. Слабое взаимодействие и электромагнетизм сливались в единую сверхсилу, и это взаимодействие переносили четыре бозона: фотон, два W-бозона и Z-бозон. Фотон отвечал за электромагнетизм, а W- и Z-бозоны — за слабое взаимодействие. Как и в случае с сильным взаимодействием, базовая структура была примерно такой же, как та, которую Янг и Миллс предложили десятилетием ранее (и которая так сильно расстроила Паули на семинаре в Принстоне). Глэшоу открыл дверь к единой теории электромагнетизма и слабого взаимодействия. К концу десятилетия последние штрихи в электрослабую теорию внес друг Глэшоу Стивен Вайнберг (они подружились еще в школе в Бронксе). Сначала эти идеи проигнорировали, однако несколько лет спустя два голландских физика — Герард Хоофт и его научный руководитель Мартинус Вельтман — показали, что все это имеет четкий математический смысл, и с этого момента дело пошло на лад. Объединение электромагнетизма и слабого взаимодействия было физическим эквивалентом падения Берлинской стены. В этот момент две теории стали одной, объединившись в нечто более мощное и глубокое. Конечно, такое уже случалось в физике, — например, когда Максвелл соединил электричество и магнетизм или еще раньше, когда Ньютон связал перемещение планет с движением падающего яблока. Разработка электрослабой теории стоит рядом с историческими триумфами Максвелла и Ньютона. Это действительно было чертовски прекрасно.

Когда Вайнберг в 1973 году переехал из Массачусетского технологического института в Гарвард, он унаследовал офис Швингера. Швингер оставил там свои туфли, и Вайнберг воспринял это как вызов: можешь ли ты стать достойным преемником? Я не сомневаюсь, что он смог. В том же году в ЦЕРН пузырьковая камера с чудесным названием «Гаргамелла» предоставила доказательства того, что слабое взаимодействие переносится какой-то нейтральной частицей, — именно это предсказывала электрослабая теория Вайнберга, где фигурировал Z-бозон. Вайнберг и Глэшоу предсказуемо присоединились к Швингеру в пантеоне нобелевских лауреатов.

Парнями из Бронкса — Вайнбергом и Глэшоу — руководила направляющая рука симметрии, но в электрослабой теории есть то, что должно вас обеспокоить. Я говорил вам, что W- и Z-бозоны оказались чрезвычайно тяжелыми частицами. Так и должно быть, ведь слабое взаимодействие работает на крохотном расстоянии — около одной миллиардной от миллиардной доли метра, или примерно один процент диаметра протона. Может показаться, что тут все нормально, однако , а в случае со взаимодействиями это означает, что их переносят частицы с нулевой массой. Итак, если мы живем во Вселенной, которая руководствуется симметрией, почему она оставляет место для таких тяжеловесов, как W и Z? Почему у них нет нулевой массы, как того требует симметрия?

Пришло время добавить бозон Хиггса.

Извините. Я знаю, что это плохая шутка. А как насчет физики? Возможно, вы слышали, что бозон Хиггса придает Вселенной ее массу. Ну это неправда. Возьмите книгу, которую вы держите в руках, или Джастина Бибера, или даже червяка, извивающегося в почве. Все эти объекты тяжелые (у них есть масса), — но что ее создает? Едва ли бозон Хиггса: он дает на деле менее одного процента. Благодаря той поэтической эквивалентности, которую Эйнштейн установил для массы и энергии, все, что вы видите вокруг себя, получает свою массу из энергии. Именно энергия хранится в связях ядерной физики — в цепях глюонов, скрепляющих протоны и нейтроны. Если весы в ванной показывают на несколько килограммов больше, чем вам бы хотелось, можете винить глюоны, энергию или гамбургер, съеденный в пятницу вечером. Но не вините бозон Хиггса.

Все сказанное верно для книг, Бибера и червяков. Но если мы интересуемся элементарными частицами, например W- и Z-бозонами, кварками и лептонами, то ситуация немного иная. Масса, которую они имеют, действительно зависит от хиггсона. Мы знаем, что симметрия — это ноль, а значит, переносчик взаимодействия не может иметь массу. Вот почему фотон и глюон не имеют массы. Чтобы появились такие тяжеловесы, как W- и Z-бозоны, мы должны убить симметрию.

Глэшоу понимал это. Он взял симметрию, которая руководила его идеями, и в конце расчетов разрушил ее. Разнес вдребезги. Но есть и другой способ — более щадящий. Чтобы придать массу W- и Z-бозонам, не нужно нарушать симметрию Глэшоу — достаточно ее скрыть. Симметрии скрываются в результате процесса, который называется спонтанным нарушением симметрии. Это ужасное название, поскольку симметрия никогда по-настоящему не нарушается, а всего лишь скрывается, но не будем зацикливаться на семантике. Вместо этого я расскажу вам сказку.

Жила-была принцесса с красивыми длинными золотыми волосами. Ее звали Рапунцель, и злая ведьма заперла ее в башне посреди леса. Однажды Рапунцель увидел проходивший мимо физик. «Она идеально подойдет для моего эксперимента», — подумал он и унес ее в открытый космос. Когда они оказались в вакууме, вдали от земного притяжения, физик заметил, что золотые локоны Рапунцель одинаково протягиваются во все стороны. Этого он и ожидал. Он поворачивал принцессу на произвольный угол, однако положение волос не менялось. Они всегда были направлены во все стороны. Так природа сообщала ему, что законам физики плевать на повороты, то есть они обладают вращательной симметрией. Затем он вернул Рапунцель на Землю и повторил свой эксперимент. Симметрия исчезла. Когда он поворачивал принцессу, положение волос изменялось: они всегда устремлялись к земле. Конечно, со временем физик понял, что симметрия на самом деле не исчезла: базовые законы природы все же равнодушны к вращению. Просто гравитационное поле Земли, действующее на волосы Рапунцель, скрыло эту симметрию из виду. В этой истории симметрия очевидна в вакууме пустого пространства, но скрыта в гравитационном поле Земли.

В начале 1960-х блестящий, хотя и необщительный японский физик по имени Йоитиро Намбу понял, что в эту игру можно играть и наоборот: иногда симметрию скрывает сам вакуум. Почти пятьдесят лет спустя такие идеи принесли ему поездку в Стокгольм и долю Нобелевской премии. Для большинства людей вакуум представляет собой заброшенное пустое место, где исчезают все поля. Так бывает часто, но, как понял Намбу, так быть не должно. По определению вакуум — самое спокойное из всех квантовых состояний, состояние с наименьшей энергией. Представьте бешеную домашнюю вечеринку, где все танцуют, а дом наполнен энергией и возбуждением. Ясно, что это не особо спокойное состояние, и вы, естественно, не назовете его вакуумом. Позже, когда все отключились, дом оказался в низкоэнергетическом состоянии. Вы можете понизить энергию еще больше, вышвырнув всех гостей. Убрать всю мебель. Удалить весь воздух. Устранить все квантовые поля. Возможно, тогда получился бы вакуум. Может быть. Однако Намбу и его итальянский коллега Джованни Йона-Лазинио показали, что иногда энергию можно еще немного уменьшить. Поля в вакууме в их продуманной модели протонов и нейтронов оказывались не пустыми. Они были заполнены по всему пространству, причем так, что определенные симметрии скрывались.

Модель Намбу и Йона-Лазинио может быть образцом, но если мы действительно хотим понять, как вакуум скрывает симметрию, то нам следует поиграть с более простой моделью — например, той, где участвует бозон Хиггса. Мы можем получить интуитивное представление о происходящем с помощью бутылки вина. Прежде всего — это моя любимая часть — вы должны опустошить бутылку. Когда вы это сделаете, взгляните на донышко. Вы заметите, что стекло имеет форму так называемого курганного замка: в середине находится холмик, а вокруг него — небольшой ров. Если поворачивать бутылку, пока она стоит на донышке, она фактически не меняется в силу своей вращательной симметрии. Теперь оторвите кусочек пробки и бросьте внутрь. Существует очень, очень крохотный шанс, что он упадет не в ров, а точно на вершину холмика. Если теперь вы снова станете очень осторожно вращать бутылку, а пробка не скатится, то симметрия сохранится. Но, скорее всего, пробка упадет куда-то в ров. В этом случае симметрия нарушится. При вращении бутылки вращается и пробка, и картина меняется. Пробка, решив оказаться во рву, похоже, нарушила симметрию.

Этот кусочек пробки подобен полю Хиггса, а бутылка — его так называемому потенциалу, аналогичному электрическому или гравитационному: он управляет тем, что происходит с бозоном Хиггса, когда вы подпитываете его энергией или отнимаете ее. Мы можем определить величину поля Хиггса, измерив, насколько далеко пробка находится от оси, идущей точно по середине бутылки. Иными словами, если пробка находится на вершине холмика, поле Хиггса равно нулю; если же где-то во рву, то оно ненулевое. На этом рисунке мы также можем определить энергию, запасенную в массе поля: это просто высота пробки, покоящейся в бутылке. Это означает, что самое низкое энергетическое состояние — когда пробка лежит где-то во рву. Как и ожидалось, поле Хиггса обживается в вакууме, где его величина не равна нулю, а симметрия кажется нарушенной.

Вот только на самом деле она не нарушена, а просто скрыта.

Чтобы выявить базовую симметрию, нам нужно выбрать ноль. Оказывается, он прячется в спектре частиц. Вспомните, что частица — это всего лишь колебание в вакууме; в данном случае это колебания кусочка пробки. Ее можно шевелить двумя способами: двигая ее поперек или вдоль рва. Если вы начнете двигать ее поперек рва, вы перемещаете ее вверх по стенке бутылки. Высота пробки говорит нам о количестве энергии, хранящейся в массе поля, поэтому такое колебание мы связываем с частицей, имеющей массу. Если говорить о реальном бозоне Хиггса, то он оказывается тяжелой частицей, которая в конце концов была обнаружена при столкновении протонов в туннеле ЦЕРН. Однако если вы шевелите пробку вдоль рва, ее высота не меняется. Это означает, что в массу поля энергия не передается, поэтому мы связываем такое колебание с безмассовой частицей. Собрав все воедино, мы видим, что в спектре колебаний присутствуют два разных типа частицы: одна с массой, а другая — с нулевой массой. Такая нулевая масса — это скрытая симметрия, заново открывающая свой ноль!

В 1962 году ученый из Кембриджа Джеффри Голдстоун объединил усилия со Стивеном Вайнбергом и пакистанским физиком Абдусом Саламом, чтобы доказать, что всякий раз, когда вы пытаетесь скрыть симметрии в вакууме, симметрия реагирует и вы обнаруживаете какой-нибудь безмассовый бозон. Это утверждение, названное теоремой Голдстоуна, оказалось катастрофой, ведь весь смысл спонтанного нарушения симметрии заключался в том, чтобы создать массивный бозон, такой как W или Z, а вовсе не безмассовый голдстоуновский.

Специалисты по физике элементарных частиц были готовы выбросить полотенце. Ободрение пришло от неожиданного источника — американского физика, занимавшегося конденсированными состояниями и мало интересовавшегося микроскопическим танцем отдельных частиц. Филип Андерсон — по его собственным словам, «задумчивый брюзга», — обладал опытом общения со скрытыми симметриями, поскольку ему приходилось работать со сверхпроводниками. С его точки зрения, всем нужно было помнить, что W и Z — калибровочные поля, а проблемная симметрия — калибровочная симметрия. , это означает, что вы можете использовать симметрию в любой точке пространства и времени. Мы знаем, что при открытой симметрии соответствующий калибровочный бозон гарантированно не имеет массы. Но если она скрыта, он имеет возможность обрести какую-то массу. Помимо массы, Андерсон указал на ключевую разницу между безмассовыми и массивными калибровочными бозонами: она заключается в количестве рабочих частей. У безмассового калибровочного бозона их всего две — например, две поляризации фотона, — а у массивного три. Андерсон задался вопросом, не возникает ли дополнительная рабочая часть из-за недостающей частицы, предсказанной Голдстоуном. Когда в реальном мире симметрия нарушается, дело не в том, что голдстоуновских бозонов нет. Они есть, но каким-то образом поглощаются тяжелыми W- и Z-бозонами. Они становятся их частью, прячутся внутри, обеспечивая в точности нужное количество рабочих частей.

Никаких подробностей Андерсон не предложил. Его аргументы были интуитивными и основывались на простом мире, где ему не требовалось беспокоиться об Эйнштейне и относительности. Многие специалисты по физике элементарных частиц полагали, что это окажется камнем преткновения: если должным образом учесть относительность, все рассуждения полностью развалятся.

Окончательный прорыв произошел в трех великолепных статьях, поданных в престижный научный журнал Physical Review Letters (более известный как PRL) в период с июня по октябрь 1964 года. Их написали шесть мудрых людей — Браут и Энглер, Хиггс, а также Гуральник, Хейген и Киббл; пятеро из них соберутся в ЦЕРН почти полвека спустя, ожидая подтверждения своей работы. Детали оказались примерно такими, как и надеялся Андерсон, но на этот раз с учетом относительности. Всякий раз, когда хиггсовское поле вваливается в вакуум, как пробка в нашу пустую винную бутылку, симметрия нарушается. Бозон Хиггса начинает придавать массу калибровочному бозону, и ни Голдстоун, ни его раздражающие бозоны не могут этому помешать. Часто говорят, что калибровочный бозон «съедает» голдстоуновский. Звучит как каннибализм, но именно так бозон может стать тяжелым. Частица Голдстоуна поглощается калибровочным бозоном, что дает ему дополнительную рабочую часть, необходимую для массивности.

Первыми свою статью опубликовали два бельгийца — Роберт Браут и Франсуа Энглер, которые ничего не знали об идее Андерсона. В каком-то смысле можно было рассказать две истории: историю калибровочного поля и историю поля, нарушающего симметрию. Браут и Энглер сосредоточились на калибровочном поле. Питер Хиггс, уроженец Ньюкасла на северо-востоке Англии, сконцентрировался на нарушителе симметрии — бозоне Хиггса, как его теперь называют. Он показал, как этот нарушитель делится на две части: одна поглощается калибровочным полем и придает ему массу, другая — массивная частица сама по себе, как пробка, колеблющаяся вверх по стенке винной бутылки. Когда говорят о частице, открытой в ЦЕРН, — о бозоне Хиггса, а не о поле Хиггса, — подразумевается именно это колебание. Первоначально Хиггс отправил свою статью в журнал Physics Letters, где публиковались некоторые его предыдущие работы, однако ее отклонили. «Она не требует срочной публикации», — сказали в редакции. Хиггс сразу же передал свою работу в PRL, где ее рецензировал Намбу. Второго отказа не было.

Тем временем Карл Хейген отправился в Лондон к своему старому другу из Массачусетского технологического института Джеральду Гуральнику. В то время Гуральник состоял в постдокторантуре Имперского колледжа Лондона, в котором также работал молодой сотрудник Том Киббл. Приезд Хейгена побудил их рассмотреть теорему Голдстоуна: как скрыть симметрию и избежать проклятого голдстоуновского бозона. Когда Гуральник и Хейген собрались опубликовать свое решение в журнале, вошел Киббл, размахивая новой статьей Браута и Энглера и еще одной, написанной Питером Хиггсом. При ближайшем рассмотрении ученые решили, что их не обставили. Эти статьи не проанализировали теорему Голдстоуна так, как сделали они, и не учитывали квантовые аспекты проблемы.

Поначалу никто не обратил особого внимания ни на одну из статей, однако Киббл продолжал действовать. Он добавил новые детали и к 1967 году снабдил Вайнберга всеми необходимыми компонентами для объединения электромагнетизма и слабого взаимодействия. Вайнберг понял, что ему необходимо придать массу трем калибровочным полям — двум W и Z, — поэтому ему требовался более экзотический бозон Хиггса, имеющий минимум четыре рабочие части. Три из них будут «съедены», придавая массу калибровочным полям, а четвертая останется. Это будет тот тяжелый бозон Хиггса, об открытии которого объявят 4 июля 2012 года.

Когда в следующем году присуждали Нобелевскую премию, многие ожидали, что лауреатами станут именно авторы этих статей 1964 года. В конце концов, пятеро из шести физиков были еще живы, лишь Роберт Браут скончался за год до открытия хиггсона. Конечно, выбрать между ними было невозможно (по крайней мере, это было бы несправедливо), поэтому ходили слухи, что Нобелевский комитет на этот раз откажется от правила, позволяющего награждать только трех человек. Он не отказался. Гуральник, Хейген и Киббл остались без премии.

Это решение многих разочаровало. К тому времени я был знаком с Томом Кибблом — сэром Томом, как его стали называть позже. Я часто видел его на регулярных собраниях британских космологов. Сейчас такие встречи собирают до сотни участников, однако начинались они с десятка коллег, обменивавшихся идеями в офисе Тома в Имперском колледже Лондона. Том Киббл был гигантом физики и настоящим джентльменом. Он никогда не стремился оказаться в центре внимания и всегда предпочитал отмечать чужие достижения, а не собственные. Из шести физиков, на труды которых опирается наше понимание бозона Хиггса, он был, на мой взгляд, самым мудрым. Он больше других построил на основе эти первоначальных идей и в итоге оставил свой след не в одной, а в двух Нобелевских премиях.

Бозон Хиггса обманул нас. Долго мы верили, что электромагнетизм и слабое взаимодействие различаются. Он скрыл от нас симметрию и красоту электрослабой теории, и в результате W и Z стали слишком тяжелыми, чтобы проникать в наш макроскопический мир. Он оставил нам фотон и электромагнитную силу, на которые мы привыкли полагаться. Большинство наших привычных устройств зависят от электричества и магнетизма или используют радиопередачи. Нам нужен электромагнетизм, чтобы пользоваться приложениями на мобильных телефонах, поддерживать свежесть еды в холодильнике или слушать любимые песни онлайн. Безусловно, наше повседневное существование является электромагнитным, а не слабым и не электрослабым, и это заслуга бозона Хиггса.

От хиггсона и его сломанной красоты растолстели не только W- и Z-бозоны. То же сделали и кварки — верхние и нижние, странные и очаровательные, истинные и прелестные. И лептоны: электроны, мюоны, тау-лептоны и нейтрино. Историю о том, как они получили свою массу, лучше всего рассказать с помощью грамотной аналогии, которая восходит к 1993 году, когда ученые из ЦЕРН обратились к британскому правительству за поддержкой строительства Большого адронного коллайдера. Уильям Уолдгрейв, член кабинета, отвечавший в то время за науку, пытался понять физику бозона Хиггса, поэтому он предложил ученым придумать аналогию размером в одну страницу, которая доступно объяснит работу бозона. Уолдгрейв даже предложил за лучшее объяснение бутылку марочного шампанского. В итоге британское правительство предоставило ЦЕРН финансовую поддержку, а бутылка «Вдовы Клико» 1985 года за блестящую аналогию ушла Дэвиду Миллеру из Университетского колледжа Лондона.

Я передам ее своими словами (с некоторыми творческими вольностями). Рядом с моим домом есть магазинчик, которым управляет человек по имени Дэйв. Он достаточно дружелюбный парень, но за пределами нашей деревни не особо известен. Однажды Дэйв оказывается в одной комнате с мировой суперзвездой — музыкантом Эдом Шираном. Дэйву не очень нравятся знаменитости, поэтому атмосфера в помещении немного напряженная, и оба решают уйти. Так случилось, что у Эда и Дэйва очень похожее телосложение и они двигаются приблизительно с одинаковой скоростью. Если комната пуста, оба пройдут ее примерно за одинаковое время. Это своеобразная симметрия, основанная на их физическом сходстве. Но если помещение наполнено сотнями кричащих фанатов Ширана (к большому раздражению Дэйва), то симметрия нарушается. Толпа мешает обоим мужчинам, но в случае Эда эффект проявляется гораздо сильнее. Его постоянно просят дать автограф и пытаются сделать с ним селфи, а Дэйв может прокладывать себе дорогу без такого активного внимания.

Эд и Дэйв — кварки: Эд — истинный, а Дэйв — верхний; полчища поклонников — поле Хиггса. Как вы понимаете, фанаты будут гораздо активнее взаимодействовать со своим любимым певцом, чем с владельцем магазина из Ноттингема. Когда они заполняют комнату — иными словами, когда поле Хиггса «включено», — они замедляют Эда гораздо сильнее, чем Дейва. Кажется, что он в каком-то смысле стал тяжелее: они придают ему больше массы. То же происходит с истинным и верхним кварками. Истинный кварк сильнее взаимодействует с полем Хиггса, поэтому при «включении» хиггсовского поля он приобретает большую массу. В этой аналогии есть даже сам бозон Хиггса. Вы можете представить его в виде волны возбуждения, пробегающей по фанатам. Возможно, до них дошел слух, что Эд собирается петь, и они начинают обсуждать шепотом эту новость, собираясь в группы-кластеры. Эти кластеры перемещаются по помещению, как бозон Хиггса, двигающийся по туннелям под горами в ЦЕРН. Если в зале соберется больше фанатов, кластеры будут двигаться медленнее, потому что увеличилось число людей, которым нужно рассказать слух. Это похоже на то, как хиггсон взаимодействует сам с собой: замедляя себя, придавая своему колебанию немного больше массы.

Обнаружить такой бозон Хиггса, как наш, — все равно что найти снеговика в пламени ада. Это может случиться, но в реальности не должно происходить. Предположим, вы поместили кубик льда в какое-то горячее место. Действительно горячее — печь или огненную бездну вечного проклятия. Вы не ожидаете, что кубик льда продержится очень долго. Проблема в том, что в окружающей среде слишком много тепловой энергии. Когда молекулы воздуха отскакивают ото льда, они передают ему эту энергию и кубик тает. Есть очень маленькая вероятность, что этого не произойдет: если молекулы чудесным образом будут пролетать мимо куба, лед уцелеет. Но это очень маловероятно.

Ситуация с бозоном Хиггса очень похожа. Имеется окружающая квантовая энергия, которая хочет сделать его намного тяжелее, чем он есть на самом деле, — таким тяжелым, как мимарида! Эта квантовая энергия исходит от виртуальных частиц — тех, которые вы никогда не сможете подержать в руках. Помните, что квантовые поля всегда общаются друг с другом и у частицы это иногда может вызвать кризис идентичности.

Чтобы лучше понять это, забудем ненадолго о бозоне Хиггса. Представьте, что у вас есть фотон, который пролетел из Лондона в Париж. Фейнман уже рассказал нам, что любая частица, двигающаяся между двумя точками, будет исследовать все возможные пути: она пойдет прямо, через магазины по дороге, даже через галактику Андромеды. Но мы также знаем, что фотон может превратиться в электрон-позитронную пару и наоборот. Можем ли мы действительно быть уверены, что фотон прошел весь путь от Лондона до Парижа одетым как фотон? Не мог ли он на мгновение или два переодеться в электрон и позитрон, а потом вернуться в исходное состояние? Ответ — твердое «да». Эту неопределенность создает квантовая механика: она заставляет нас исследовать все возможные пути, включая те, на которых частицы меняют свой костюм.

Представьте бизнесмена, совершающего ту же поездку, что и наш фотон. Он уезжает из Лондона в костюме с Сэвиль-Роу и приезжает в Париж в точно таком же костюме. Есть шанс, что путешественник носил его на протяжении всего своего путешествия. И есть шанс, что нет. Возможно, в какие-то моменты на нем были футбольная форма или коктейльное платье. Вы этого никогда не знаете. Квантовая механика — игра вероятностей. Если есть какой-то шанс, что фотон проведет некоторое время в костюме электрона и позитрона, вам придется это учитывать. Вы можете считать эти альтернативные наряды виртуальными частицами, которые никогда не увидят, никогда не поймают и не перехватят, но которые в итоге оставят свой след. И мы зафиксировали его. Виртуальные электроны и позитроны вызывают расщепление энергетических уровней в атомах водорода — это установил Уиллис Лэмб в 1947 году.

Что все это означает для бозона Хиггса? Если вы спросите, как он попал из Лондона в Париж, то, как и в случае с фотоном, вы не сможете считать, что он все это время был одет как бозон Хиггса. Есть вероятность, что какое-то время он был одет как кварк, электрон или какое-то другое поле, о котором мы даже не знаем. И все это оставит свой след.

Какой именно? Ну все эти перемены костюмов могут вызвать у бозона Хиггса проблемы с массой. Поскольку есть вероятность того, что он какое-то время маскировался под электрон и позитрон, бозон Хиггса захочет ощутить их вес. Вы можете представить, что хиггсон отягощен размером своего гардероба. Виртуальные электроны и позитроны, в которые он переодевается, представляют собой своего рода квантовую среду, воздействующую на бозон, когда он пытается двигаться. С чемоданом, полным этих виртуальных частиц, хиггсон становится тяжелым. Вопрос: насколько тяжелым?

Если бы виртуальные электроны и позитроны весили столько же, как настоящие электроны и позитроны, нам не о чем было бы беспокоиться. Настоящие электроны и позитроны в 100 000 раз легче бозона Хиггса, и такая маленькая добавка к весу чемодана вряд ли что-нибудь изменит. Однако в случае виртуальных частиц причины для беспокойства есть. Мы ведь не сказали, как долго бозон Хиггса маскируется под пару электрон — позитрон или как часто он меняет личины. Такие изменения иногда происходят быстро и регулярно. Как мы вскоре увидим, это означает, что некоторые виртуальные частицы могут оказаться сверхтяжелыми. Квантовая механика наполняет чемодан этими виртуальными тяжеловесами и тем самым отягощает бозон Хиггса гораздо сильнее, чем нам хотелось бы признать.

Чтобы понять, откуда берутся виртуальные тяжеловесы, нужно еще немного подумать о крайне скоростной смене костюма. Когда бозон Хиггса быстро появляется и исчезает как электрон-позитронная пара, мы ощущаем это исключительно в виде кратковременного импульса в электронном поле. Но благодаря принципу неопределенности Гейзенберга кратковременные колебания могут означать действительно большие энергии:

Он использовал прием «чаг» на своей гитаре, и самые короткие звуки затрагивали самый широкий диапазон частот. То же происходит с электроном и позитроном: чем короче время их появления, тем большей энергии они могут достичь. Эти виртуальные частицы наполняют чемодан огромной энергией, или (что то же самое) огромной массой, которая все сильнее отягощает бозон Хиггса. Если бы вы разрешили электронам и позитронам появляться и исчезать почти мгновенно, они могли бы принести энергию, которая превышает число Грэма или число TREE(3) в любых единицах, которые вам вздумалось бы использовать, и бозон Хиггса мог бы оказаться сколь угодно тяжелым. Однако это уже перебор. Мы не можем придать смысл превращению бозона Хиггса в электрон и позитрон на сколь угодно мало время. Это слишком быстро. Это разрушило бы ткань пространства и времени. , то узнали, что на самом деле вы не можете сделать ничего быстрее планковского времени, которое составляет около 5 × 10^–44 секунд. Но это все равно очень маленькое время. Если мы позволим бозону Хиггса так быстро меняться в электронном поле, возникнут огромные неопределенности в количестве энергии. Если вы сядете и посчитаете, сколько массы попадет в чемодан, то есть сколько вернется к бозону Хиггса, вы обнаружите, что это очень близко к той массе, которую можно было бы ожидать от квантовой черной дыры. Или мимариды.

Однако бозон Хиггса далеко не так тяжел. На самом деле его истинная масса составляет всего 0,0000000000000001 от этой величины. Что-то в наших представлениях очень неправильно. Из эксперимента мы знаем, что виртуальные частицы оставляют свой след на энергетических уровнях водорода, и мы также ожидаем, что они оставят свой след на хиггсоне. Так почему же мы не видим всю эту дополнительную массу? По секрету скажу, что для решения этой загадки мы, физики, часто прибегаем к жульничеству. Мы просто предполагаем, что в этой истории есть что-то еще — еще один источник массы, нечто, присущее самому бозону Хиггса. Он добавляет этот таинственный новый компонент к огромной массе, которую получает из чемодана виртуальных частиц; при этом мы должны предположить, что знак добавки оказывается противоположным и происходит чудесное взаимоуничтожение. . Давайте сделаем аналогию точнее. Предположим, у вас есть стадо примерно из двухсот слонов, общая масса которых составляет миллион килограммов. Вы требуете, чтобы другое стадо весило ровно столько же плюс-минус масса одной реснички. Именно такой баланс мы наблюдаем в случае хиггсона.

Это просто неестественно.

В этот момент некоторые из вас на меня накричат. Разве нельзя все только что сказанное о бозоне Хиггса — о том, что он меняет одежду и набирает вес, — сказать и о фотоне? Разве фотон не должен весить столько же, сколько мимарида? Нет, и причина вполне красивая: она заключена в симметрии. Мы знаем, что фотон имеет нулевую массу благодаря симметрии электромагнетизма. Вы можете подумать, что квантовая механика должна все портить, что она направит всю эту массу к фотону, нарушив симметрию. Но вот в чем дело: если симметрия существует — реально существует, — квантовая механика оставляет ее нетронутой. Она словно очаровывается этой красотой. Когда вы садитесь и подсчитываете, какая масса поступает к фотону от электронов, позитронов или любых других частиц, вы обнаруживаете, что ответ всегда равен нулю. Симметрия и красота никогда не нарушаются.

Проблема с бозоном Хиггса состоит в том, что у него нет симметрии, защищающей его массу таким же образом. Он находится во власти квантовой механики, бурлящего кладезя виртуальных частиц, питающих его большей массой, чем он может надеяться когда-либо переварить. Чтобы спастись, ему приходится совершать этот смехотворный акт уравновешивания, как уравновешивание стада слонов с точностью до массы ресницы.

Эта проблема известна под названием проблемы иерархии. Почему существует такая колоссальная разница — иерархия — между массой бозона Хиггса, измеренной в ЦЕРН, и огромной массой, которую он должен поглощать в соответствии с квантовой теорией? Возможно, стоит почерпнуть вдохновение у электрона. В конце концов, были времена, когда у него тоже существовали проблемы с весом. Это было еще до развития квантовой теории, когда электрон казался просто заряженной частицей. Лучший способ вычислить его массу состоял в определении энергии, запасенной в его электрическом поле (помните, энергия и масса — одно и то же). Проблема в том, что обычно предполагалось, будто заряд электрона сохранен в одной точке, и поэтому, когда вы вычисляете энергию, хранящуюся в электрическом поле, вы получаете бесконечность. Звучит смехотворно. Если бы все электроны в вашем теле оказались бесконечно тяжелыми, вы не смогли бы двигаться. Но еще хуже то, что вы бы разорвали ткань пространства и времени.

Как мы уже видели, мы не можем ковыряться в пространстве-времени на бесконечно малых расстояниях. Может быть, в качестве альтернативы нам следует вообразить, что заряд электрона хранится внутри маленького шарика, радиус которого равен планковской длине — наименьшей длине, которая может сойти нам с рук. Это мало поможет: электрон оказывается таким же тяжелым, как мимарида, а это все равно слишком много. Если вы настаиваете на вычислении массы таким старомодным способом, вам придется представить заряд, размазанный по гораздо большему шару, имеющему диаметр около миллиардной доли миллиметра. Тогда вы получите правильный ответ — около 10^–30 килограммов. Если вы хотите сделать шарик меньше, вам понадобится нечто новое: совершенно новая теория с новыми компонентами. Вам нужна теория квантовых полей с добавлением новой частицы — позитрона.

Как только в игру вступают позитроны, вы можете сжать электрон хоть до планковской длины. Он окружен облаком виртуальных позитронов и электронов; они словно размазывают его заряд по гораздо большему объему — как показано на рисунке. Как и в случае с бозоном Хиггса, эти виртуальные частицы прибавляют электрону массу, но эффект далеко не так серьезен. На самом деле, если бы мы вообразили электрон вообще без массы, ситуация была бы такой же, как и с фотоном: виртуальные частицы не смогли бы придавать ему массу. Как всегда, нас защищает симметрия. В реальности она имеет изъян: это только приблизительная симметрия. Вот почему электрон имеет некоторую массу, но не слишком большую. Если представить мир с более легкими электронами, этот изъян был бы меньше, а симметрия оказалась бы ближе к идеальной; если же электроны были безмассовыми, изъян исчез бы полностью.

Итак, что же это за хитроумная маленькая симметрия? Мы говорили, что в электродинамике мы можем свободно вращать внутренний диск, поворачивая математические объекты, которые используем для описания электронов и позитронов. Однако это слишком идеально для той симметрии, которую мы ищем. Помните, что нас интересует нечто с изъяном — совершенное только в воображаемом мире безмассовых электронов. И такая симметрия действительно существует. Она называется хиральной. Не беспокойтесь о терминах. По сути, это еще один вариант внутреннего диска, только он немного по-разному поворачивается для частиц, вращающихся по часовой стрелке или против нее. Это очень общий трюк, который работает не только с электронами. Хиральные симметрии предотвращают перекармливание любого фермиона калориями квантовой теории.

Это действительно здорово, но мало что дает для такой частицы, как бозон Хиггса. Дело в том, что у него нет спина, поэтому симметрии одинаковы — независимо от того, имеет ли он нулевую массу или массу мимариды. Хиггс не способен защитить себя, но, может, у него есть какой-нибудь ангел-хранитель? Нечто, его защищающее?

Да: хиггсино.

Представьте себе мир, в котором никто не одинок, где каждому подобран идеальный партнер. Это кажется фантастическим, но, возможно, происходит прямо у вас под носом, в микромире физики элементарных частиц. Я хочу, чтобы вы вообразили, что каждый бозон связан с совершенно новым фермионом, а каждый фермион — с совершенно новым бозоном. Иными словами, я хочу, чтобы вы удвоили количество полей. Это может показаться экстравагантным, но в основе лежит новая симметрия — так называемая суперсимметрия, — которая стремится к идеалу для каждого такого соответствия. Идея в том, что если какой-нибудь бозон и какой-нибудь фермион составляют такую пару, то для надлежащего функционирования у них должны быть определенные общие характеристики, включая массу и заряд. Это семейство новых частиц получило название суперчастицы.

Как это поможет хиггсону? Хиггсон — это бозон, поэтому он соединяется с новым фермионом, известным как хиггсино. Чтобы гарантировать идеальность совпадения, наша суперновая суперсимметрия требует, чтобы хиггсон и хиггсино имели абсолютно одинаковую массу. Ну разве это не прекрасно? Масса бозона Хиггса теперь привязана к массе хиггсино. Хиггсино — это фермион, поэтому его масса защищена приблизительной хиральной симметрией, как и масса электрона. Он никогда не начнет потреблять слишком много квантовых калорий. Хиггсино никогда не станет таким же тяжелым, как мимарида, — и ровно так же не станет тяжелым и его партнер, бозон Хиггса. Хиггсон нашел своего ангела-хранителя.

Мы можем считать суперсимметрию (или «сьюзи», как ее ласково называют из-за стандартного сокращения SUSY) наиболее полной симметрией пространства и времени и красотой, превосходящей всякую иную. Правда, есть одна загвоздка: такой красоты никто никогда не видел.

Мы знаем, что в мире сьюзи электрон соединяется с суперчастицей: новым бозоном, называемым сэлектроном. Предполагается, что он и электрон имеют одинаковую массу и одинаковый электрический заряд. Но хотя мы видели множество электронов, никто никогда не видел сэлектрон. Это может означать только то, что сьюзи не совсем идеальна. В нашем повседневном мире она сломана или скрыта, а проявляется только тогда, когда мы вглядываемся в физику в самых мелких масштабах. Иными словами, когда мы сталкиваем объекты с очень, очень высокими энергиями. Такая нарушенная симметрия приводит к тому, что сэлектрон, хиггсино и все прочие суперчастицы оказываются намного тяжелее, чем были бы в противном случае. И чем сильнее нарушается суперсимметрия, тем тяжелее они становятся.

Чтобы обнаружить сьюзи, нам нужно искать эти суперчастицы, а значит, для их создания требуется достаточно много энергии. Прямо сейчас, глубоко под горами в ЦЕРН, в Большом адронном коллайдере почти со скоростью света летают протоны. Когда они врезаются друг в друга, то воссоздают крики младенческой Вселенной. Энергия при каждом лобовом столкновении составляет около 10 ТэВ — то, что вы получите, когда комар столкнется с высокоскоростным поездом. Я всегда считал это сравнение несколько разочаровывающим, но помните, что в Большом адронном коллайдере вся эта энергия исходит от столкновения всего лишь двух невообразимо крохотных протонов. Чтобы придать описанному событию ту влиятельность, которой оно действительно заслуживает, подумайте так: если все протоны в вашем теле столкнутся подобным образом, то они высвободят примерно в 20 000 раз больше энергии, чем дало извержение вулкана Кракатау в 1883 году.

Когда дело касается сьюзи, важно то, что 10 ТэВ примерно в 10 млн раз больше массы электрона и примерно в 100 раз больше массы бозона Хиггса. Однако мы никогда не получали намеков на существование ни сэлектрона, ни хиггсино, ни любой другой суперчастицы. В простейших моделях это может означать только одно: суперчастицы слишком тяжелы, чтобы возникать при таких столкновениях. Это тревожит. Помните, мы хотим доказать, что хиггсино — ангел-хранитель бозона Хиггса, а их массы связаны. Однако эксперименты в ЦЕРН, похоже, предполагают, что хиггсино минимум в 100 раз тяжелее, чем нам хотелось бы. Возможно, бозон Хиггса не обязан быть таким же тяжелым, как мимарида, но в этих простых моделях он должен оказаться минимум в 100 раз тяжелее, чем на самом деле. Это, безусловно, серьезное улучшение, но все же несколько неестественное.

Все очень надеялись, что ЦЕРН обнаружит сьюзи. Достаточно было со смаком столкнуть два протона. Дело не только в том, что суперсимметрия сохраняла естественность и решала головоломку с неправильной массой Хиггса. Она также решала проблему темной материи, предложив в качестве идеального кандидата легчайшую суперчастицу; казалось, что это изящно указывает на дальнейшее объединение, на общее происхождение трех из четырех фундаментальных взаимодействий. При таком хет-трике впечатляющих успехов сьюзи просто обязана была оказаться правильной. Однако ЦЕРН этого не увидел. Ученые начали сомневаться в мотивации для суперсимметрии. Стали искать темную материю в других местах. И иначе думать об объединении.

А сейчас есть даже те, кто готов отказаться от естественности.

Но не все. Во всяком случае, пока. Наука приучила нас искать причины всех неожиданностей. Числа редко бывают слишком большими или слишком маленькими. Поэтому, когда кто-то говорит, что масса бозона Хиггса составляет 0,0000000000000001 от ожидаемой, большинство физиков стремятся найти этому объяснение.

Мы многое перепробовали, но истину пока не нашли. Пробовали дополнительные измерения. И сьюзи. Даже пытались разбить бозон Хиггса на крошечные кусочки. Все это очень хитроумные способы сохранить естественность, но природу это, похоже, не волнует. На данный момент бозон Хиггса — по-прежнему выигравший гонку аутсайдер, на которого ставили десять миллионов миллиардов к одному, и никто не знает почему.

Однако соотношение десять миллионов миллиардов против одного — это еще маленькая проблема с естественностью. Теперь расскажу вам о большой.