Лоуренс Краусс - Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй

Но самой замечательной чертой на этом долгом пути к свету было то, насколько фундаментальная природа реальности не похожа на те тени реальности, которые мы ежедневно видим вокруг себя, и насколько фундаментальные величины, управляющие, на первый взгляд, нашим существованием, на самом деле вовсе не фундаментальны.

Основными составляющими наблюдаемого вещества являются частицы, которые никому и никогда не удавалось наблюдать непосредственно и которые, если мы правы, никогда и никому не удастся наблюдать непосредственно, – кварки и глюоны. Свойства сил, управляющих взаимодействиями этих частиц, а также частиц, которые более столетия лежали в основе экспериментальной физики, – электронов, на фундаментальном уровне тоже радикально отличаются от свойств, которые мы наблюдаем непосредственно и от которых зависит наше существование. Сильное взаимодействие между протонами и нейтронами – это всего лишь дальнодействующий остаток от лежащего в его основе взаимодействия между кварками, фундаментальные свойства которых маскируются сложными взаимодействиями внутри ядра. Слабое и электромагнитное взаимодействия, которые на поверхности кардинально различаются: одно – близкодействующее, другое – дальнодействующее и вдобавок в тысячи раз сильнее первого, – на самом деле теснейшим образом связаны и отражают, по существу, разные грани одного и того же целого.

Это целое скрыто от нас из-за природной случайности, мы называем ее спонтанным нарушением симметрии, и она делает эти два взаимодействия – слабое и электромагнитное – отличными друг от друга в мире нашего опыта, скрывает их подлинную природу. Более того, свойства частиц, порождающих характеристики того прекрасного мира, который мы видим вокруг себя, возникают лишь благодаря этому спонтанному нарушению симметрии, которое оставляет безмассовой лишь одну частицу – фотон. Если бы нарушения симметрии не случилось и фундаментальные симметрии взаимодействий, управляющих веществом, проявлялись бы явно, – а это, в свою очередь, означало бы, что частицы, передающие слабое взаимодействие, тоже не имели бы массы, как и большинство частиц, из которых мы состоим, – то не появилось бы ничего из того, что мы видим сегодня во Вселенной: галактик и звезд, планет и людей, птиц и пчел, ученых и политиков.

Более того, мы уже знаем, что даже те частицы, из которых мы состоим, – не всё, что существует в природе. Наблюдаемые частицы объединяются в простые группы, или семейства. Из верхних и нижних кварков образуются протоны и нейтроны. Рядом с ними можно обнаружить электрон и его партнера – электронное нейтрино. Далее, по причинам, которых мы по-прежнему не понимаем, существует более тяжелое семейство, в которое входят очарованный и странный кварки, с одной стороны, и мюон со своим нейтрино – с другой. И наконец, как подтвердили эксперименты в последние десять – двадцать лет, существует третье семейство, в которое входят два новых типа кварков, называемых «прелестным» (b, beauty) и «истинным» (t, truth), а также сопутствующая им тяжелая версия электрона, называемая таоном (тау-частицей), со своим тау-нейтрино.

Помимо этих частиц, как я скоро расскажу, у нас есть все основания подозревать существование других элементарных частиц, которых пока никто не видел. Эти частицы, образующие, как мы считаем, загадочное темное вещество, на которое приходится большая часть массы нашей Галактики и всех видимых галактик, могут оказаться невидимыми для наших телескопов, но наблюдения и теории указывают на то, что галактики и звезды не смогли бы сформироваться без темного вещества.

И в самой основе сил, управляющих динамическим поведением всего, что доступно нашему взору, лежит очень красивая математическая конструкция, называемая калибровочной симметрией. Все известные нам взаимодействия – сильное, слабое, электромагнитное и даже гравитационное – обладают этим математическим свойством, и для первых трех из них именно оно гарантирует, что наши теории имеют математический смысл, а противные квантовые расходимости исчезают из расчетов всех величин, которые можно сравнить с экспериментально полученными данными.

За исключением электромагнетизма, все симметрии всех остальных взаимодействий остаются полностью скрытыми от наших глаз. Калибровочная симметрия сильного взаимодействия скрыта потому, что конфайнмент, предположительно, прячет от нас фундаментальные частицы, через которые эта симметрия проявляется. Калибровочная симметрия слабого взаимодействия не проявляется открыто в мире, где мы живем, потому что она спонтанно нарушена, в результате чего частицы W и Z стали чрезвычайно массивными.

Тени на стене повседневной жизни – действительно всего лишь тени. И в этом лейтмотив величайшей из когда-либо рассказанных историй, которая медленно разворачивается вот уже более двух тысяч лет с тех пор, как Платон впервые представил эту идею в своей аналогии с пещерой.

Но какой бы замечательной ни была эта история, две серьезнейшие проблемы никуда не делись. Два действующих лица нашего рассказа таковы, что до недавних пор можно было думать, что ее ключевые аспекты – всего лишь сказка, придуманная теоретиками с чрезмерно разыгравшимся воображением.

Во-первых, постулированные в 1960 г. для объяснения слабого взаимодействия W- и Z-частицы, почти в сто раз более массивные, чем протоны и нейтроны, оставались до недавнего времени всего лишь теоретическими конструктами, хотя косвенных свидетельств их существования хватало с избытком. Мало того, было предсказано существование невидимого поля – поля Хиггса, которое пронизывает все пространство, маскируя истинную природу реальности и делая возможным наше существование благодаря спонтанному нарушению симметрии между слабым и электромагнитным взаимодействиями.

Кажется сомнительным делом превозносить историю, которая, по ее же собственному заявлению, описывает, почему мы существуем, но в то же время указывает на невидимое поле, пронизывающее все пространство. Это больше напоминает религиозное торжество, а не научное. Чтобы надежно убедиться, что наши представления соответствуют реальности, а не тому, какой мы хотели бы эту реальность видеть, чтобы сохранить достоинство науки, мы просто должны были открыть хиггсовское поле. Только тогда мы смогли бы до конца разобраться, правда ли, что особенности нашего мира, которые мы столь ценим, – на самом деле не более чем особенности случайного ледяного кристалла в морозном узоре на окне. Или, если выражаться точнее, не превосходят по значимости разницы между сверхпроводящим состоянием проводника в лаборатории и нормальным сопротивлением проводов в моем компьютере.