Во время долгой пешей прогулки по окраинам Эдинбурга молодой Питер Хиггс решил загадку, ставившую в тупик исследователей всего мира. Работая плечом к плечу, теоретики и экспериментаторы писали квантовомеханическое руководство, разбирающее механизмы функционирования микромира. Но было одно явное упущение. Уравнения не могли объяснить, как фундаментальные частицы обрели массу. Почему так получается, что если толкать элементарные частицы (такие, как электроны или кварки), то почувствуешь их сопротивление приложенным усилиям? Это сопротивление отражает массу частицы, но уравнения, казалось, рассказывали иную историю: исходя из математики, частицы должны быть безмассовыми и, следовательно, не должны оказывать никакого сопротивления. Надо ли говорить, что несоответствие между реальностью и математикой сводило физиков с ума.
Именно здесь в дело вступил Хиггс. Он заявил, что, объективно говоря, частицы действительно не имеют массы, в точности как того требуют безупречно симметричные уравнения. Попав в этот мир, частицы обретают массу в результате влияния среды. Хиггс вообразил, что пространство заполнено невидимой субстанцией, известной теперь как поле Хиггса, и что частицы, которые двигаются через это поле, испытывают на себе действие силы сопротивления, напоминающей ту, что испытывает летящий в воздухе легкий мячик. Хотя такой мячик почти ничего не весит, если держать его за окном автомобиля, едущего на все более высокой скорости, то от вашей руки это потребует серьезных усилий: мячик покажется вам массивным, потому что ему приходится преодолевать сопротивление воздуха. Аналогично, предположил Хиггс, когда толкаешь частицу, она ощущается массивной, потому что преодолевает сопротивление хиггсовского поля. Чем тяжелее частица, тем сильнее она сопротивляется вашему усилию, и это, согласно Хиггсу, означает, что частица испытывает более сильное сопротивление со стороны этого пронизывающего пространство поля. Современная физика уже привыкла к идее о невидимых субстанциях, заполняющих пространство, — нынешней версии древнего эфира. От инфляционного поля, которое, возможно, было движителем Большого взрыва, до темной энергии, отвечающей, возможно, за измеренное ускоренное расширение Вселенной, физики последних нескольких десятилетий не стесняются предполагать, что пространство заполнено чем-то невидимым. Но в 1960-е гг. такая идея казалась весьма радикальной. Хиггс предполагал, что, если бы пространство на самом деле было пустым в традиционном и интуитивном смысле, частицы вовсе не имели бы массы. Поэтому он заключил, что пространство, должно быть, не пусто, а необычная субстанция, которую оно вмещает, должна обладать как раз подходящими свойствами для насыщения частиц их очевидной массой. Стратегию проверки этой гипотезы настолько же легко описать, насколько трудно реализовать. Когда две частицы, скажем два протона, сталкиваются на высокой скорости, такое столкновение должно по идее потрясти окружающее хиггсовское поле. Теоретически при случае это может отбить крохотную капельку поля, которая проявит себя как элементарная частица нового типа — частица Хиггса; нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек называет это «осколком вакуума». Таким образом, обнаружение этой частицы означало бы несомненное доказательство гипотезы. Эта цель на протяжении более чем 30 лет вдохновляла исследования, в которых участвовало более 3000 ученых из более чем трех дюжин стран. В этих исследованиях использовался самый мощный в мире ускоритель частиц стоимостью более $15 млрд. Это чудесный эпизод в анналах человеческих открытий; он углубляет наши представления о свойствах частиц и подкрепляет уверенность в способности математики обнажать скрытые аспекты реальности. Но хиггсовское поле важно по особой причине — в какой-то момент в будущем его значение может измениться. И примерно как лобовое сопротивление, которое испытывает легкий мячик, изменилось бы, если бы изменилась плотность воздуха на его пути, так и массы фундаментальных частиц изменились бы, если бы изменилось значение хиггсовского поля, с которым они встречаются. Любые подобные изменения, кроме самых крохотных, почти наверняка разрушили бы реальность, какой мы ее знаем. Атомы, молекулы и структуры, которые они образуют, сильнейшим образом зависят от свойств составляющих их частиц. Солнце сияет благодаря физическим и химическим свойствам водорода и гелия, которые зависят от свойств протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов. Клетки делают то, что делают, в основном благодаря физическим и химическим свойствам их молекулярных составляющих, которые, опять же, зависят от свойств фундаментальных частиц. Если изменить массы фундаментальных частиц, их поведение тоже изменится; по существу, изменится в той или иной степени все. Множество лабораторных экспериментов и астрономических наблюдений установили, что для большей части, если не для всех прошедших 13,8 млрд лет массы фундаментальных частиц оставались постоянными, так что и значение хиггсовского поля оставалось стабильным. И все же, даже если существует лишь крохотная вероятность того, что в будущем хиггсовское поле может скачком принять другое значение, эта вероятность будет усилена громадными промежутками времени, которые мы теперь рассматриваем, и превратится в почти полную уверенность. Физика, имеющая непосредственное отношение к хиггсовскому скачку, называется квантовым туннелированием; чтобы понять суть этого процесса, лучше для начала рассмотреть его в более простых условиях. Поместим маленький шарик в пустой бокал для шампанского, и, если никто не будет этот бокал трогать, логично будет ожидать, что шарик в нем и останется.
В конце концов, он огражден со всех сторон и не обладает достаточной энергией, чтобы взобраться по стеклянным стенкам и сбежать. Не обладает он также достаточной энергией, чтобы пробиться прямо через стекло. Аналогично, если поместить электрон в ловушку, напоминающую по форме бокал для шампанского, оградив его барьерами со всех сторон, также можно будет ожидать, что он останется на месте. В самом деле большую часть времени так и происходит. Но иногда электрон ведет себя иначе. Иногда он исчезает из ловушки и заново материализуется уже снаружи. Каким бы удивительным подобный трюк, достойный Гудини, ни был для нас, в квантовой механике это дело обычное. Воспользовавшись уравнением Шредингера, можно вычислить вероятность того, что электрон будет обнаружен в той или другой локации, к примеру внутри или снаружи ловушки. Математика показывает, что чем серьезней ловушка — чем выше и толще ее стенки, — тем меньше вероятность того, что электрон улизнет. Но, и это ключевой момент, для того чтобы вероятность была нулевой, ловушка должна быть бесконечно толстой или бесконечно высокой; в реальном мире такого просто не бывает. А ненулевая вероятность, какой бы крохотной она ни была, означает, что, если подождать достаточно долго, рано или поздно электрон все же окажется на другой стороне. Наблюдения это подтверждают. Именно такой переход через барьер мы и подразумеваем, когда говорим о «квантовом туннелировании».
Я описал квантовое туннелирование в терминах проникновения частицы сквозь барьер, изменения ее положения со «здесь» на «там», но это может быть и проникновение поля сквозь барьер, и изменение его значения с «этого» на «то». Такой процесс с участием хиггсовского поля может определить долгосрочную судьбу Вселенной. Но почему величина поля Хиггса остается стабильной миллиарды лет? Ответ: мы считаем, что значение поля Хиггса, подобно шарику в бокале или электрону в ловушке, ограждено со всех сторон внушительными барьерами. Точно так же, как квантовая механика позволяет электрону иногда туннелировать из ловушки, так она разрешает и величине поля Хиггса туннелировать сквозь барьер. Если бы это произошло, хиггсовское поле не изменило бы свое значение во всем пространстве одновременно. Вместо этого хиггсовское поле сделает свой ход в какой-то крохотной области, выделенной случайной природой квантовых событий; в этой области поле туннелирует через барьер и примет другое значение.
Затем, примерно как шарик, который туннелирует сквозь стенку бокала, опускаясь при этом ниже своего первоначального положения, значение хиггсовского поля тоже опустится на более низкий энергетический уровень. После этого поле в близлежащих локациях, отзываясь на манящий зов более низкой энергии, также будет совершать этот переход — начнется своеобразный эффект домино, благодаря которому возникнет расширяющаяся сфера, внутри которой значение хиггсовского поля будет уже измененным. Внутри этой сферы новое значение поля вызовет изменение массы частиц, так что знакомые свойства физики, химии и биологии перестанут действовать. Вне сферы, где значению поля Хиггса только еще предстоит измениться, частицы сохранят свои обычные свойства, и все будет выглядеть нормально. Анализ показал, что граница сферы, отмечающая переход от старого значения поля к новому, будет раздвигаться со скоростью, очень близкой к скорости света. Это означает, что тем из нас, кто будет находиться снаружи, будет практически невозможно заметить приближение стены рока. К тому моменту, когда мы ее заметим, она нас уже поглотит. Одно мгновение жизнь будет идти совершенно обычно. В следующее мгновение нас уже не будет. Смогут ли новые структуры и, возможно, новые формы жизни появиться в конечном итоге в этом царстве, населенном частицами с незнакомыми свойствами? Может быть. Но в настоящее время ответ на эти вопросы находится за пределами наших возможностей. Физики не могут предсказать, когда поле Хиггса может совершить такой прыжок. Характеристики временной шкалы здесь зависят от свойств частиц и силы, которые еще только предстоит определить с адекватной точностью. Более того, поскольку это процесс квантовый, то предсказать можно только его вероятность. Современные данные указывают, что поле Хиггса, скорее всего, туннелирует к другому значению где-то через 10^102-10^359 лет. Поскольку поле Хиггса заново определяет наше представление о пустоте — даже самое пустое из всех пустых пространств в любом месте наблюдаемой Вселенной содержит поле Хиггса со значением 246, — квантовое туннелирование значения хиггсовского поля свидетельствует о нестабильности самого пустого пространства. Стоит подождать достаточно долго, и даже пустое пространство изменится. Хотя временные параметры такого изменения и распада не дают, в общем-то, повода для беспокойства, существует тем не менее вероятность того, что этот туннельный переход может произойти сегодня. Или завтра. В этом заключается бремя жизни в квантовой Вселенной, где будущие события управляются вероятностями. При броске сотни монет все они могут лечь орлом кверху, это возможно, хотя и маловероятно, и точно так же мы, возможно, стоим на пороге катастрофы и вот-вот попадем под удар стены изменения хиггсовского поля, за которой следует новая разновидность пустого пространства. Возможно, хотя тоже маловероятно. То, что эта вероятность очень мала, может показаться добрым знаком. Гибель под ударом движущейся со скоростью света стены рока будет, конечно, быстрой и безболезненной, но большинство из нас, я уверен, предпочли бы избежать такого конца. Однако, если перенести внимание на еще более длительные промежутки времени, мы встретим там квантовые процессы не только странные, но и способные подорвать все наши представления о реальности. В ответ некоторые физики воспылали любовью к теориям, согласно которым Вселенная погибнет задолго до того, как нам пришлось бы иметь дело с коллапсом рационального мышления как такового. До конца времен. - Брайан Грин
Universe (Вселенная)
Распад пустоты
Современная физика уже привыкла к идее о невидимых субстанциях, заполняющих пространство, — нынешней версии древнего эфира. От инфляционного поля, которое, возможно, было движителем Большого взрыва, до темной энергии, отвечающей, возможно, за измеренное ускоренное расширение Вселенной, физики последних нескольких десятилетий не стесняются предполагать, что пространство заполнено чем-то невидимым. Но в 1960-е гг. такая идея казалась весьма радикальной. Хиггс предполагал, что, если бы пространство на самом деле было пустым в традиционном и интуитивном смысле, частицы вовсе не имели бы массы. Поэтому он заключил, что пространство, должно быть, не пусто, а необычная субстанция, которую оно вмещает, должна обладать как раз подходящими свойствами для насыщения частиц их очевидной массой.
Стратегию проверки этой гипотезы настолько же легко описать, насколько трудно реализовать. Когда две частицы, скажем два протона, сталкиваются на высокой скорости, такое столкновение должно по идее потрясти окружающее хиггсовское поле. Теоретически при случае это может отбить крохотную капельку поля, которая проявит себя как элементарная частица нового типа — частица Хиггса; нобелевский лауреат Фрэнк Вильчек называет это «осколком вакуума». Таким образом, обнаружение этой частицы означало бы несомненное доказательство гипотезы. Эта цель на протяжении более чем 30 лет вдохновляла исследования, в которых участвовало более 3000 ученых из более чем трех дюжин стран. В этих исследованиях использовался самый мощный в мире ускоритель частиц стоимостью более $15 млрд.
Это чудесный эпизод в анналах человеческих открытий; он углубляет наши представления о свойствах частиц и подкрепляет уверенность в способности математики обнажать скрытые аспекты реальности. Но хиггсовское поле важно по особой причине — в какой-то момент в будущем его значение может измениться. И примерно как лобовое сопротивление, которое испытывает легкий мячик, изменилось бы, если бы изменилась плотность воздуха на его пути, так и массы фундаментальных частиц изменились бы, если бы изменилось значение хиггсовского поля, с которым они встречаются. Любые подобные изменения, кроме самых крохотных, почти наверняка разрушили бы реальность, какой мы ее знаем. Атомы, молекулы и структуры, которые они образуют, сильнейшим образом зависят от свойств составляющих их частиц. Солнце сияет благодаря физическим и химическим свойствам водорода и гелия, которые зависят от свойств протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и фотонов. Клетки делают то, что делают, в основном благодаря физическим и химическим свойствам их молекулярных составляющих, которые, опять же, зависят от свойств фундаментальных частиц. Если изменить массы фундаментальных частиц, их поведение тоже изменится; по существу, изменится в той или иной степени все.
Множество лабораторных экспериментов и астрономических наблюдений установили, что для большей части, если не для всех прошедших 13,8 млрд лет массы фундаментальных частиц оставались постоянными, так что и значение хиггсовского поля оставалось стабильным. И все же, даже если существует лишь крохотная вероятность того, что в будущем хиггсовское поле может скачком принять другое значение, эта вероятность будет усилена громадными промежутками времени, которые мы теперь рассматриваем, и превратится в почти полную уверенность. Физика, имеющая непосредственное отношение к хиггсовскому скачку, называется квантовым туннелированием; чтобы понять суть этого процесса, лучше для начала рассмотреть его в более простых условиях. Поместим маленький шарик в пустой бокал для шампанского, и, если никто не будет этот бокал трогать, логично будет ожидать, что шарик в нем и останется.
Каким бы удивительным подобный трюк, достойный Гудини, ни был для нас, в квантовой механике это дело обычное.
Воспользовавшись уравнением Шредингера, можно вычислить вероятность того, что электрон будет обнаружен в той или другой локации, к примеру внутри или снаружи ловушки. Математика показывает, что чем серьезней ловушка — чем выше и толще ее стенки, — тем меньше вероятность того, что электрон улизнет. Но, и это ключевой момент, для того чтобы вероятность была нулевой, ловушка должна быть бесконечно толстой или бесконечно высокой; в реальном мире такого просто не бывает. А ненулевая вероятность, какой бы крохотной она ни была, означает, что, если подождать достаточно долго, рано или поздно электрон все же окажется на другой стороне. Наблюдения это подтверждают. Именно такой переход через барьер мы и подразумеваем, когда говорим о «квантовом туннелировании».
Но почему величина поля Хиггса остается стабильной миллиарды лет? Ответ: мы считаем, что значение поля Хиггса, подобно шарику в бокале или электрону в ловушке, ограждено со всех сторон внушительными барьерами.
Точно так же, как квантовая механика позволяет электрону иногда туннелировать из ловушки, так она разрешает и величине поля Хиггса туннелировать сквозь барьер. Если бы это произошло, хиггсовское поле не изменило бы свое значение во всем пространстве одновременно. Вместо этого хиггсовское поле сделает свой ход в какой-то крохотной области, выделенной случайной природой квантовых событий; в этой области поле туннелирует через барьер и примет другое значение.
Внутри этой сферы новое значение поля вызовет изменение массы частиц, так что знакомые свойства физики, химии и биологии перестанут действовать. Вне сферы, где значению поля Хиггса только еще предстоит измениться, частицы сохранят свои обычные свойства, и все будет выглядеть нормально. Анализ показал, что граница сферы, отмечающая переход от старого значения поля к новому, будет раздвигаться со скоростью, очень близкой к скорости света. Это означает, что тем из нас, кто будет находиться снаружи, будет практически невозможно заметить приближение стены рока. К тому моменту, когда мы ее заметим, она нас уже поглотит. Одно мгновение жизнь будет идти совершенно обычно. В следующее мгновение нас уже не будет. Смогут ли новые структуры и, возможно, новые формы жизни появиться в конечном итоге в этом царстве, населенном частицами с незнакомыми свойствами? Может быть. Но в настоящее время ответ на эти вопросы находится за пределами наших возможностей.
Физики не могут предсказать, когда поле Хиггса может совершить такой прыжок. Характеристики временной шкалы здесь зависят от свойств частиц и силы, которые еще только предстоит определить с адекватной точностью. Более того, поскольку это процесс квантовый, то предсказать можно только его вероятность. Современные данные указывают, что поле Хиггса, скорее всего, туннелирует к другому значению где-то через 10^102-10^359 лет.
Поскольку поле Хиггса заново определяет наше представление о пустоте — даже самое пустое из всех пустых пространств в любом месте наблюдаемой Вселенной содержит поле Хиггса со значением 246, — квантовое туннелирование значения хиггсовского поля свидетельствует о нестабильности самого пустого пространства. Стоит подождать достаточно долго, и даже пустое пространство изменится. Хотя временные параметры такого изменения и распада не дают, в общем-то, повода для беспокойства, существует тем не менее вероятность того, что этот туннельный переход может произойти сегодня. Или завтра. В этом заключается бремя жизни в квантовой Вселенной, где будущие события управляются вероятностями. При броске сотни монет все они могут лечь орлом кверху, это возможно, хотя и маловероятно, и точно так же мы, возможно, стоим на пороге катастрофы и вот-вот попадем под удар стены изменения хиггсовского поля, за которой следует новая разновидность пустого пространства. Возможно, хотя тоже маловероятно.
То, что эта вероятность очень мала, может показаться добрым знаком. Гибель под ударом движущейся со скоростью света стены рока будет, конечно, быстрой и безболезненной, но большинство из нас, я уверен, предпочли бы избежать такого конца. Однако, если перенести внимание на еще более длительные промежутки времени, мы встретим там квантовые процессы не только странные, но и способные подорвать все наши представления о реальности. В ответ некоторые физики воспылали любовью к теориям, согласно которым Вселенная погибнет задолго до того, как нам пришлось бы иметь дело с коллапсом рационального мышления как такового. До конца времен. - Брайан Грин