Дональду Баски.
Огромное спасибо моей жене Фелиции и моим сыновьям Эйдену и Элаю за неиссякаемую любовь, теплоту и интересные мысли. Приношу благодарность своим родителям, Стэну и Банни Хэлперн, за их поддержку, а также своим родственникам - Джозефу и Арлин Финстон, Саре и Ричарду Эванс, Лейн и Джилу Хуревиц, Джэнис, Ричарду, Джерри, Долорес, Майклу, Марии Энтнер, Дене и Амритпалу Хэттон, Аарону Стэнбро, Кеннету, Алану, Бет, Тессе, Ричарду, Аните, Эмили, Джейку Хэлперну и остальным.
Введение. Мастерская совершенства
Столь очевидное братство среди атомов не указывает ли на общность происхождения?… Полнота сложного не указывает ли на совершенство простого?… Не потому ли, что первично, а следовательно, закономерно, они были Одно, - теперь во всех обстоятельствах, во всех точках, во всех направлениях, всеми способами приближения, во всех отношениях и при всех условиях они с борьбою устремляются назад к этому абсолютному, к этому безотносительному, к этому безусловному Одному?
Эдгар Аллан По. Эврика.
В самой человеческой природе лежит неуклонное стремление к единству. Симметрия и завершенность - рулевые нашего чувства прекрасного: они подталкивают нас к тем людям, местам и вещам, от которых веет целостностью натуры. В поисках этой гармонии архитекторы прибегают к геометрическим принципам, придающим силуэтам зданий эстетическую привлекательность. Фотографы могут часами подбирать рамку, выгодно сочетающуюся со снимком. А возлюбленные включаются в этот общий поток, когда впервые ощущают то, что называется духовной близостью.
Как же нам прийти к совершенству? Может быть, заглянуть глубоко в прошлое, в те древние времена, когда гармонию еще не разбили вдребезги? Или спуститься глубоко под землю, построить мощные машины и самим разбивать вдребезги частицы в надежде, что среди обломков мы когда-нибудь найдем остатки потерянного рая?
На одном берегу стоит красота, на другом - хаос. Все неказистое вроде мудреных картин или атональной музыки выводит нас из равновесия. Лучше всего выразить этот контраст удалось, пожалуй, Эдгару Аллану По. Как никто другой умеющий различить великолепное и отвратительное, последние годы своей жизни он почти полностью посвятил попытке раскрыть и понять глубокое единство, лежащее в основе мироздания. Его поэма в прозе «Эврика» повествует о том, что изначальное единообразие Вселенной неумолимо идет к восстановлению. Подобно неспокойному дому Ашеров, оно хочет слиться с породившей его землей.
В современной физике немало завершенных островов, которыми увенчались многовековые попытки разгадать тайны природы. Но есть и не дающие покоя пробелы и парадоксы. Сегодня самые талантливые ученые ставят самые дерзкие эксперименты, лишь бы все белые пятна на карте мира исчезли.
Главные ключи к пониманию тех сил, что управляют Вселенной, и созданию целостной картины всего сущего были получены в последние двести лет. В середине XIX в. блестящий шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл показал, что электричество и магнетизм неразрывно связаны, и что эта взаимосвязь выражается системой четырех простых уравнений. При всей своей общности места они занимают мало и вполне помещаются на футболке. Тому доказательство - многочисленные «модники» на физических конференциях. Из этих соотношений вытекает удивительное следствие: любой в мире свет, от ярко-желтых оттенков подсолнухов до багровых переливов заката, - это электромагнитные волны, союз электричества и магнетизма.
К началу XX в. физики догадались, что энергия в этих волнах существует в виде отдельных порций, фотонов. Последние со скоростью света летают от одного электрически заряженного тела к другому, вызывая притяжение или отталкивание. Следовательно, все в мире электромагнитные явления, будь то отклонение стрелки компаса или прорезающая небо молния, происходят от обмена фотонами между заряженными частицами.
Помимо электромагнетизма есть еще в природе две силы, играющие роль в ядерных масштабах, - слабое и сильное взаимодействия, - и гравитация, сила, заставляющая яблоки падать, а планеты двигаться. Этими четырьмя силами определяется, как материальные тела притягиваются, отталкиваются и видоизменяются. Когда меняется тип движения - автомобиль плавно начинает ехать и медленно поворачивает, или машину внезапно встряхивает, и она останавливается, визжа тормозами, - к этому причастны какие-то взаимодействия из четырех.
Каждая из сил возникает от обмена своими переносчиками или набором переносчиков. Обмениваясь ими, две частицы притягиваются, или отталкиваются, или же меняют свои свойства. Чем-то напоминает игру в фрисби: там тоже, чтобы поймать тарелку, подходишь поближе - и невольно отступаешь назад, когда она у тебя в руках. Метание предмета туда-сюда не дает игрокам слишком далеко разойтись.
Вдохновившись триумфом Максвелла, обвенчавшего электричество и магнетизм, многие физики решили выступить в роли сводников для других сил. Как хороший хозяин старается на празднике наладить отношения между гостями, так и ученые, пытаясь установить связи, сделали ставку на поиск общего. Могут ли все четыре взаимодействия описываться одной системой уравнений?
На сегодняшний день самым крупным продвижением в этом направлении является сплав электромагнетизма и слабых сил, совершенный независимо друг от друга американскими физиками Стивеном Вайнбергом и Шелдоном Глэшоу и пакистанским физиком Абдусом Саламом. Объединенное взаимодействие получило название электрослабого. На пути к нему встретился, однако, далеко не один подводный камень.
В частности, серьезную проблему представлял широкий разброс в массах переносчиков каждой из сил. У фотонов нулевая масса, в то время как частицы, ответственные за слабое взаимодействие, довольно тяжелые. Из-за этого, кстати, радиус действия слабых сил гораздо короче. Чтобы лучше почувствовать разницу между электромагнитными и слабыми переносчиками, представьте себе, что вы сначала выполняете подачу мячом, легким, как пушинка, а потом вам дают свинцовый шар для боулинга. Он, конечно, вряд ли долго задержится в воздухе и камнем рухнет на пол. Разве можно назвать честным состязание между силами, поставленными в столь неодинаковые условия?
Тем не менее иногда неравенство возникает из имевшей место гармонии. Симметрия, бывает, рушится, и коллекционеры древних скульптур хорошо это знают. Могло так случиться, что ранняя Вселенная в течение считаных мгновений после ослепительного Большого взрыва, положившего ей начало, недолго пребывала в состоянии гармонии. Все силы находились в идеальном равновесии, пока что-то не нарушило этот баланс масс. И тогда одни переносчики стали тяжелее других. Так, может быть, сегодняшний разброс в силе взаимодействий явился результатом какого-то вездесущего процесса, разрушающего симметрию?
В 1964 г. британский физик Питер Хиггс предложил элегантный механизм для объяснения спонтанного нарушения первоначальной симметрии Вселенной. Этот механизм постулирует наличие особой сущности, так называемого поля Хиггса, которое пронизывает весь Космос, устанавливая фундаментальный масштаб энергии. (Поле математически описывает, как свойства силы или частиц меняются от точки к точке.) Оно содержит в себе своего рода стрелку, или фазовый угол, которая может указывать на любую точку окружности. При невероятно высоких температурах, сопровождавших момент рождения Вселенной, положение стрелки размыто. Она ведет себя наподобие быстро вращающейся рулетки. Но когда температура падает, колесо рулетки встает как вкопанное, и стрелка останавливается в случайном месте. В итоге изначальная симметрия поля Хиггса, не отдававшего предпочтение ни одному из углов, спонтанно нарушается путем выбора одного конкретного угла. А поскольку полем Хиггса определяется вакуумное состояние Вселенной (состояние с наименьшей энергией), нарушение симметрии неизбежно влечет за собой превращение так называемого ложного вакуума (наименьшая энергия не равна нулю) в истинный (с нулевой энергией). Из знаменитого завета Альберта Эйнштейна
