лементарных частиц. Он помещается в кольцевом туннеле общей протяженностью в 27 километров, прорытом под швейцарско-французской границей; в его вакуумных трубах пучки протонов и антипротонов[136], ускоренные до 99,9999991 % скорости света, несутся друг другу навстречу. В трех точках этого кольца пучки ускоренных частиц могут быть направлены прямо в лоб друг другу – и они сталкиваются, воспроизводя условия, сравнимые с теми, что царили во Вселенной через исчезающе малую долю секунды после горячего Большого взрыва, при температуре более миллиона миллиардов градусов. Треки – следы ливней частиц, созданных при этих столкновениях, – регистрируются миллионами сенсоров, собранных в блоки, напоминающие мини-лего; из этих блоков составляются гигантские детекторы, такие, как ATLAS и CMS – Компактный мюонный соленоид.
Поданный в Америке иск будет вскоре оставлен без удовлетворения на том основании, что «умозрительная боязнь будущего вреда не составляет ущерба, фактически достаточного для возбуждения уголовного дела». В ноябре того же года БАК будет успешно запущен – первый запуск годом раньше закончился аварией. Вскоре после этого детекторы ATLAS и CMS действительно обнаружили следы образования бозона Хиггса среди осколков столкновения частиц. Но черных дыр пока на БАКе создать не удалось.
Почему же Стивен – думаю, и Хойер тоже – все же не считал совершенно исключенной возможность того, что БАК может каким-то образом создать черную дыру? Мы обычно представляем черные дыры в виде сколлапсировавших остатков массивных звезд. Этот взгляд, однако, слишком ограничен – любое тело можно превратить в черную дыру, если сжать его как следует. Даже если взять единичную пару протон – антипротон, ускорить каждую из этих частиц почти до скорости света и столкнуть друг с другом в мощном ускорителе частиц, то они образуют черную дыру – если при столкновении удастся сконцентрировать достаточное количество энергии в достаточно малом объеме. Конечно, это будет очень маленькая черная дыра, и просуществует она микроскопически малое время, почти мгновенно испарившись в виде излучения Хокинга.
В то же время, если бы надежды Стивена и Хойера на создание черной дыры вдруг каким-то образом сбылись, это было бы концом продолжавшихся уже много десятилетий попыток физиков изучать природу на все меньших и меньших масштабах путем сталкивания частиц со все большими и большими энергиями. Ускорители частиц – это микроскопы для разглядывания Вселенной. Но гравитация фундаментальным образом ограничивает их разрешение – ведь как только, пытаясь заглянуть во все меньший объем, мы сосредотачиваем в нем слишком много энергии, гравитация запускает образование черной дыры. И если это происходит, то даже добавляя еще больше энергии, мы, вместо того чтобы поднять увеличение нашего коллайдера, получим лишь черную дыру еще большего размера. Складывается забавная ситуация: гравитация и черные дыры полностью переворачивают обычные представления о том, что большие энергии позволяют нам проникать на более короткие расстояния. И оказывается, что конечная цель строительства все больших и больших ускорителей – это не мельчайший фундаментальный строительный кирпичик материи, золотая мечта любого редукциониста, но возникающее в них макроскопически искривленное пространство-время. Закольцовывая короткие расстояния с длинными, гравитация обращает в насмешку глубоко укорененную в нашем сознании идею, что архитектура физической реальности представляет собой стройную систему вложенных друг в друга масштабов, а мы, углубляясь в нее слой за слоем, приближаемся к мельчайшему фундаментальному пределу. Похоже, что гравитация – а значит, и само пространство-время – содержат несовместимый с редукционизмом элемент. К этой трудной для восприятия, но важной идее я вернусь в главе 7. На каком же микроскопическом масштабе физика частиц без гравитации переходит в физику частиц с гравитацией? (Другими словами, во что бы обошлось осуществление мечты Стивена о производстве черных дыр?) Этот вопрос сводится к проблеме унификации всех сил природы – главной теме этой главы. Найти единую схему, которая охватывала бы все основные законы природы, – это уже мечта Эйнштейна. Ответ на него прямо зависит от того, способна ли космология мультивселенной предложить альтернативную точку зрения на благоприятное для жизни устройство нашей Вселенной. Ведь только понимание того, как именно все частицы и силы Природы гармонично сочетаются друг с другом, может пролить новый свет на однозначность фундаментальных физических законов – или отсутствие таковой, – а значит, и понять, до какой степени мы можем ожидать их изменчивости в мультивселенной.
МЫ ОБЫЧНО ПРЕДСТАВЛЯЕМ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ В ВИДЕ СКОЛЛАПСИРОВАВШИХ ОСТАТКОВ МАССИВНЫХ ЗВЕЗД. ЭТОТ ВЗГЛЯД, ОДНАКО, СЛИШКОМ ОГРАНИЧЕН – ЛЮБОЕ ТЕЛО МОЖНО ПРЕВРАТИТЬ В ЧЕРНУЮ ДЫРУ, ЕСЛИ СЖАТЬ ЕГО КАК СЛЕДУЕТ.
Большая часть видимого вещества состоит из атомов, а те, в свою очередь, – из электронов и крошечного ядра – конгломерата протонов и нейтронов. Атомные ядра удерживаются вместе ядерными силами, так называемым сильным взаимодействием, которое действует на кварки – частицы, из которых составлены протоны и нейтроны. Сильное взаимодействие и в самом деле очень сильное, но действует только на очень коротких расстояниях, резко падая до нуля на расстояниях выше примерно одной десятитриллионной доли сантиметра. Вторая ядерная сила – она называется «слабым взаимодействием» – действует и на кварки, и на другой класс частиц вещества, в который входят электроны и нейтрино: эти частицы называют лептонами. Слабое взаимодействие отвечает за превращения некоторых ядерных частиц в другие. Например, изолированный нейтрон неустойчив и за несколько минут распадается на протон и два лептона – а вызывают этот распад именно силы слабого взаимодействия. Третья и последняя сила, воздействующая на частицы, электромагнитная сила, знакома нам лучше всех остальных. В отличие от сильного и слабого взаимодействий электромагнетизм, как и гравитация, действует на очень больших расстояниях. Он проявляется не только на атомных и молекулярных масштабах, привязывая электроны к атомным ядрам и связывая атомы в молекулы, – он действует и на макроскопических расстояниях. Поэтому неудивительно, что, наряду с гравитацией, электромагнетизм управляет большинством ежедневных явлений и имеет множество применений и проявлений – от устройств связи и МРТ-сканеров до радуги и полярного сияния.
Все видимые формы материи и три перечисленных вида сил, управляющие взаимодействиями частиц, связаны прочным теоретическим основанием: Стандартной моделью физики элементарных частиц. Разработанная в 1960-х и в начале 1970-х годов, Стандартная модель есть квантовая теория, описывающая частицы вещества и силы в терминах полей, волнообразно колеблющихся субстанций, рассеянных в пространстве. В терминах Стандартной модели частицы материи, такие, как электроны и кварки, – не что иное, как локальные возбуждения распределенных в пространстве полей. Подобные частицам возмущения силовых полей, действующих между частицами вещества, известны как обменные частицы или бозоны. Например, фотоны, обменные частицы, переносящие электромагнитную силу, – это подобные частицам индивидуальные кванты электромагнитного силового поля.
Теоретическое обоснование Стандартной модели в терминах квантовых полей глубоко определяет способ описания микроскопических процессов в мире частиц в рамках этой модели. Возьмем взаимодействие между двумя электронами. Когда они сближаются друг с другом, они отклоняются и рассеиваются, так как одноименные электрические заряды отталкиваются. Стандартная модель описывает этот процесс вполне осязаемым способом: как обмен фотоном между этими электронами. Когда два электрона оказываются внутри сферы действия друг друга, мы представляем, что один из них испускает фотон, а другой его поглощает. Каждый электрон в результате этого обмена испытывает легкую отдачу, из-за чего их траектории расходятся (см. рис. 33). Но это не все. По правилам фейнмановской формулировки квантовой механики в виде «суммирования по историям», чтобы вычислить значение угла рассеяния электронов, мы должны сложить все возможные способы, которыми эти два электрона могут обменяться одним или несколькими фотонами. Множественность историй обмена означает, что мы не можем, в полном соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга, точно определить, где и когда этот обмен произошел.
В то время как фотоны лишены массы, как лишены ее и переносящие гравитацию гравитоны, бозоны, ответственные за слабое и сильное ядерное взаимодействие, очень массивны. Именно поэтому ядерные силы действуют на столь коротких расстояниях, ограниченных микроскопическими масштабами атомного ядра. В целом, чем больше масса обменных частиц, тем меньше диапазон расстояний, на которых действуют переносимые ими силы. Именно безмассовость микроскопических квантов электромагнетизма и гравитации позволяет этим силам действовать в масштабах всей Вселенной.
Рис. 33. Так называемая диаграмма Фейнмана, описывающая квантовое рассеяние двух электронов в терминах обмена фотоном. Фейнмановская формулировка квантовой механики в виде «суммирования по историям» требует, чтобы при вычислении результирующего угла рассеяния электронов были рассмотрены все возможные обмены, в том числе и те, в которых участвует более одного фотона.
Исчерпываются ли этим сведения о Стандартной модели? Не совсем! В ней есть еще одна, последняя частица, знаменитый неуловимый бозон Хиггса, названный в честь британского физика-теоретика Питера Хиггса, который постулировал его существование в 1964 году. Бозон Хиггса – подобный частице квант поля Хиггса, невидимого скалярного поля, которое, совсем как инфлатонное поле в ранней Вселенной, равномерно пронизывает все пространство – этакая современная версия эфира. Поле Хиггса – ключевой элемент Стандартной модели, который дает всем другим элементарным частицам их массы. Электроны, кварки и даже обменные частицы в рамках Стандартной модели не имеют внутренне присущей им массы, но приобретают массу вследствие сопротивления, которое они испытывают, когда движутся сквозь вездесущее поле Хиггса. Частицы как будто постоянно бредут в грязи; вязкость этой грязи и есть то, что мы называем массой. Количество массы, которым в результате обладают различные частицы, зависит от того, насколько сильно они «чувствуют» поле Хиггса. Кварки и обменные частицы ядерных сил взаимодействуют с полем Хиггса очень сильно и имеют большую массу; более легкие электроны взаимодействуют с этим полем гораздо слабее, а фотоны, вообще с ним не взаимодействующие, остаются безмассовыми.