Брайан Грин – До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной (страница 74)

Я не утверждаю, что воздушные шарики — это реалистичное сырье для создания сверхмассивных черных дыр, но тот факт, что черная дыра, весящая в 4 млрд раз больше Солнца, имела бы среднюю плотность, равную плотности воздуха, замечателен сам по себе и отлично иллюстрирует то, как свойства черных дыр могут отличаться от популярных представлений о них12. Если оценивать по массе и размеру, такие черные дыры — настоящие гиганты, но, если судить по средней плотности, они мягкие и нежные, что делает их нежными гигантами. В этом смысле более крупные черные дыры менее экстремальны, чем более мелкие, и это позволяет нам интуитивно понять открытие Хокинга, согласно которому чем массивнее черная дыра, тем ниже ее температура и тем ниже ее свечение.

Таким образом, продолжительность жизни крупной черной дыры выигрывает от двух связанных между собой факторов: у нее больше масса, которую можно излучать, и, поскольку ее температура ниже, излучает она эту массу медленнее. Подставляя числа в уравнения, находим, что черная дыра с массой примерно в 100 млрд раз больше массы Солнца будет съеживаться настолько не спеша, что последнее свое излучение она испустит, только когда мы доберемся до верхнего, 102-го этажа Эмпайр-стейт-билдинг, и только тогда она по-настоящему станет черной 13.

Вглядываясь во Вселенную со 102-го этажа, мы мало что увидим, кроме рассеянного тумана частиц, носящихся по пространству. Иногда притяжение между электроном и его античастицей, позитроном, стягивает их по сходящейся спиральной траектории все ближе и ближе друг к другу, пока они не аннигилируют в крохотной вспышке — точке света, пронзающей на мгновение тьму. Если темная энергия иссякла и стремительное расширение пространства ослабло, очень возможно, что частицы могут аккумулироваться во все более крупные черные дыры, которые будут излучать все медленнее, получая все более долгую жизнь. Но если темная энергия никуда не делась, ускоренное расширение будет разгонять частицы в разные стороны все быстрее и быстрее, гарантируя, что они почти никогда — а может, и совсем никогда — не будут встречаться между собой. Интересно, что условия при этом станут напоминать условия вскоре после Большого взрыва, когда пространство тоже было населено отдельными частицами.

Разница в том, что в ранней Вселенной частицы располагались настолько плотно, что гравитация с легкостью собирала их в структуры, такие как звезды и планеты, тогда как в поздней Вселенной частицы настолько рассеяны, а ускоряющееся расширение пространства настолько неумолимо, что собирание в сгустки будет чрезвычайно маловероятно. Это «прах к праху» в космической версии: молодая пыль, настроенная танцевать энтропийный тустеп, сплачивается гравитацией в упорядоченные астрономические структуры, тогда как поздняя пыль, рассеянная тонким слоем, спокойно дрейфует сквозь пустоту.

Физики иногда сравнивают эту будущую эпоху с концом времени. Не то чтобы время остановится. Но когда всякое действие сводится всего лишь к движению отдельной частицы из этой точки на огромных просторах пространства в ту, разумно заключить, что Вселенная в конечном итоге ушла в небытие. И все же в этой главе мы готовы рассматривать еще более продолжительные промежутки времени, что переводит в разряд возможных события настолько невероятные, что в любом другом случае их можно было бы просто игнорировать. Эти настолько редкие события, что трудно даже вообразить себе их реальность, но они могут иногда прерывать небытие с далеко идущими последствиями.

На пресс-конференции 4 июля 2012 г., проводившейся в ЦЕРНе (Европейском центре ядерных исследований), его представитель Джо Инкандела объявил об открытии частицы Хиггса, которую физики давно искали. Я смотрел прямую трансляцию этой пресс-конференции в Центре физики в Аспене в комнате, куда набилось множество коллег. Было около двух часов ночи. После заявления комната взорвалась одобрительными криками. Камера сфокусировалась на Питере Хиггсе, который снял очки и протирал глаза. Хиггс предположил существование частицы, получившей его имя, почти за полвека до этого; он успешно преодолел сопротивление, которое нередко встречают незнакомые идеи, и целую жизнь ждал возможности убедиться, что был прав.

Во время долгой пешей прогулки по окраинам Эдинбурга молодой Питер Хиггс решил загадку, ставившую в тупик исследователей всего мира. В то время математические описания сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, а также частиц вещества, на которые влияют эти взаимодействия, стремительно сближались. 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.

Причина, по которой математика, кажется, разрешала только безмассовые частицы, довольно сложна, но сводится в конечном итоге к симметрии. Как бильярдный шар со всех сторон выглядит одинаково, так уравнения, описывающие элементарные частицы, выглядят одинаково при замене одного математического слагаемого на другое. В каждом случае нечувствительность к изменению — ориентации для бильярдного шара или математической перестановки для уравнений — отражает высокую степень базовой симметрии. Симметрия бильярдного шара гарантирует, что он будет катиться равномерно. Симметрия уравнений гарантирует гладкость их математического анализа. Как поняли специалисты по физике элементарных частиц, без симметрии уравнения стали бы противоречивыми и выдали бессмысленный результат, такой как единица, деленная на ноль. Отсюда загадка: анализ показал, что та же математическая симметрия, которая гарантирует правильные уравнения, требует также, чтобы частицы были безмассовыми (это, возможно, не удивительно, поскольку ноль сам по себе есть очень симметричное число, сохраняющее свое значение при умножении или делении на любое другое число).

Именно здесь в дело вступил Хиггс. Он заявил, что, объективно говоря, частицы действительно не имеют массы, в точности как того требуют безупречно симметричные уравнения. Однако, продолжал Хиггс, 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 поля14.

Если вы пока незнакомы с понятием поля Хиггса, но внимательно прочли все предыдущие главы, эта идея, возможно, не покажется вам особенно экзотичной. 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.

Первая статья, в которой Хиггс изложил свою новую гипотезу, была сразу же отвергнута. «Мне сказали, что все это чепуха», — вспоминает Хиггс реакцию15. Но те, кто давал себе труд тщательно разобраться в этой идее, понимали ее достоинства, и идея постепенно получала распространение. В конечном итоге она была полностью принята. Я впервые встретился с гипотезой Хиггса в 1980-е гг., на выпускном курсе, и преподносилась она с такой уверенностью, что некоторое время я даже не понимал, что гипотеза еще не подтверждена экспериментально.

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.