Уравнение Бога. В поисках теории всего - [27]
В соответствии с этим сценарием Вселенная первоначально находилась в идеально симметричном состоянии. Все элементарные частицы тогда были частью этой самой симметрии, и все они имели нулевую массу. Благодаря нулевой массе их можно было как угодно менять местами, и уравнение при этом оставалось бы прежним. Однако по какой-то неизвестной причине такая Вселенная была нестабильна: она находилась в состоянии ложного вакуума. Поле, необходимое для перехода к истинному (но разрушенному) вакууму, – это поле Хиггса. Подобно электрическому полю Фарадея, пронизывающему все пространство, поле Хиггса также заполняло все пространство-время.
Но по какой-то причине симметрия поля Хиггса начала разрушаться.
Внутри поля Хиггса начали образовываться крохотные пузырьки. Вне этих пузырьков все частицы оставались безмассовыми и симметричными. Внутри пузырька некоторые частицы обладали массой. В процессе развития Большого взрыва пузырек стремительно расширялся, частицы в нем начали приобретать разные массы и первоначальная симметрия нарушилась. Со временем оказалось, что вся Вселенная существует в состоянии нового вакуума внутри одного гигантского пузыря.
Таким образом, к 1970-м гг. тяжкий труд десятков физиков начал окупаться. После десятилетий блужданий в дебрях они наконец увидели, как встают на свои места детали пазла. Они поняли, что, собрав воедино три теории[39] (представляющие сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия), можно создать систему уравнений, которые по-настоящему будут соответствовать результатам, наблюдаемым в лаборатории.
Ключом должно было стать создание образцовой симметрии путем склеивания трех отдельных менее масштабных симметрий. Первая из этих симметрий описывала сильное ядерное взаимодействие и позволяла произвольным образом менять местами три кварка. Вторая симметрия описывала слабое ядерное взаимодействие и позволяла менять местами электроны и нейтрино. Третья симметрия описывала первоначальное поле Максвелла. Теория, получавшаяся в результате, выглядела неуклюже, но спорить с ее успехом было трудно.
Примечательно то, что Стандартная модель могла точно предсказывать свойства материи в прошлом вплоть до момента через долю секунды после Большого взрыва.
Рис. 9. Стандартная модель – это странный набор элементарных частиц, которые точно описывают нашу квантовую Вселенную; в ней тридцать шесть кварков и антикварков, двенадцать слабо взаимодействующих частиц и античастиц (именуемых лептонами) и большое количество полей Янга – Миллса и бозонов Хиггса – частиц, возникающих при возбуждении поля Хиггса
Вместе с тем, хотя Стандартная модель наиболее полно отражала наши представления о субатомном мире, в ней оставалось множество дыр. Во-первых, в ней не упоминалась гравитация. Это было громадной проблемой, поскольку именно гравитация является той силой, которая определяет крупномасштабное поведение Вселенной. Но всякий раз, пытаясь добавить гравитацию в Стандартную модель, физики не могли решить уравнения. Связанные с гравитацией квантовые поправки, вместо того чтобы быть маленькими, оказывались бесконечными, в точности как в случае квантовой электродинамики и частиц Янга – Миллса. Таким образом, Стандартная модель не в состоянии пролить свет на некоторые секреты Вселенной, например на то, что происходило до Большого взрыва и что находится внутри черной дыры. (Мы вернемся к этим важным вопросам позже.)
Во-вторых, Стандартная модель[40] построена путем искусственного сшивания теорий, описывающих разные взаимодействия, так что результирующая теория представляет собой лоскутное одеяло. (Один физик привел такое сравнение: это как если скрепить утконоса, муравьеда и кита скотчем и объявить результат самым элегантным творением природы. На самом же деле подобное создание могла бы любить только родная мать.)
В-третьих, в Стандартной модели имеется множество неопределенных параметров (таких, как масса кварков и сила взаимодействий). Мало того, в ней есть около двадцати констант, которые пришлось вводить вручную, без всякого понимания того, откуда они берутся и что собой представляют.
В-четвертых, в Стандартной модели присутствует не одна, а три идентичные копии, или поколения, кварков, глюонов, электронов и нейтрино. (Так что всего там присутствует тридцать шесть кварков с тремя цветами и тремя поколениями вместе с соответствующими им античастицами и двадцатью свободными параметрами.) Физики не могли принять нечто настолько неуклюжее и неповоротливое в качестве фундаментальной теории Вселенной.
Поскольку ставка очень высока, многие страны готовы тратить миллиарды на создание следующего поколения ускорителей частиц. В настоящее время в заголовках преобладает Большой адронный коллайдер, построенный близ Женевы в Швейцарии, – самый большой научный прибор из когда-либо построенных. Он стоит более чем $12 млрд и имеет примерно двадцать семь километров в окружности.
БАК выглядит как громадный бублик, который находится по обе стороны границы между Швейцарией и Францией. Внутри трубы протоны ускоряются, пока не достигнут чрезвычайно высокой энергии. Затем они сталкиваются с другим высокоэнергетическим пучком протонов, движущихся в противоположном направлении. При столкновении высвобождаются четырнадцать триллионов электронвольт энергии и возникает сильнейший ливень элементарных частиц, в которых пытаются разобраться ученые, используя самые мощные компьютеры мира.
