Лоуренс Краусс «Почему мы существуем?»

Укорот в изложении Сергея Масликова

История из первых рук

Лоуренс Краусс — признанный физик-теоретик, на его счету три сотни научных статей и десяток научно-популярных книг. На русский язык переведена еще одна его книга: «Всё из ничего. Как возникла Вселенная».

Но, наверное, главное, что Краусс — непосредственный участник великой научной программы, которая привела к созданию квантовой хромодинамики и теории электрослабого взаимодействия. Об этой научной революции и ее предыстории Краусс рассказывает в книге «Почему мы существуем?».

Квантовая хромодинамика объяснила, как устроен протон, и показала, как внутри элементарной частицы взаимодействуют кварки и глюоны. Она началась работами Мюррея Гелл-Манна в 50-е годы и была в основном построена к концу 70-х. 

Теория электрослабого взаимодействия объединила в единой теории слабое и электромагнитное взаимодействия. Она дала инструменты для экспериментального открытия бозона Хиггса в 2012 году. 

Краусс работал со многими великими физиками, чьи усилия в концов концов и привели к успеху. Читая его книгу, мы получаем редкую возможность прикоснуться к процессу научного поиска. Это история — из первых рук. Обида, растерянность, недоумение, даже отчаяние — все, что предшествовало триумфу 4 июля 2012 года, не остыло до сих пор. И мы можем слегка обжечься тем огнем, который освещал путь научного поиска.

Новая «Величайшая история»

Три части своей книги Краусс назвал по книгам Библии: «Бытие», «Исход» и «Откровение». Каждая глава книги начинается библейским эпиграфом. Но отношение к Библии у Краусса ироническое. Он пишет, что Библия как литературное произведение, хотя и послужила образцом для множества книг, не дотягивает даже до уровня «Одиссеи» или «Энеиды». А «в качестве руководства к пониманию нашего мира Библия трогательно несостоятельна».

Но есть другая, действительно «величайшая история» — это история познания. Ее и рассказывает Краусс. Он говорит о развитии физики — от Исаака Ньютона до открытия бозона Хиггса. Законы физики лежат в основе всех явлений нашего мира. Но увидеть, как работают эти законы, очень непросто.   

Пещера Платона

В качестве метафоры научного познания Краусс берет два примера. 

Первый — это сказка Карла Льюиса «Лев, колдунья и платяной шкаф». В этой сказке дети, забравшись в шкаф, вдруг находят выход в другой мир. Он совершенно не похож на тот, в котором мы живем. Краусс сравнивает ученых с этими детьми. Физики тоже находят вход в другой мир и с удивлением понимают, что там работают другие законы природы. Но это совсем простой пример. 

Другая метафора научного поиска и древнее, и сложнее. Это пещера Платона, которую великий философ описал в диалоге «Государство».

Платон сравнивает людей с невольниками, которые сидят в полутемной пещере. Невольники сидят спиной к свету, который освещает пещеру. Они видят только тени на стене. Они думают, что эти тени и есть мир. Большинство людей готовы смириться с таким положением дел. Но среди них есть те, кто вдруг начинает сомневаться. Платон называет этих усомнившихся философами. Краусс называет их учеными.

Люди видят на стене стрелу, которая указывает направо. Почему-то эта стрела становится короче и короче, пока не превращается в небольшую черточку. Но она продолжает меняться. И вот она указывает уже налево и становится все длиннее. Большинство людей не обращает внимания на эти превращения. Но один из них вдруг стряхивает оковы, встает и оборачивается. Он попадает в другой мир. Он видит флюгер. Это его тень на стене была странной, меняющейся стрелой. Оказывается, все просто, никаких таинственных метаморфоз. Просто флюгер вращается в плоскости, перпендикулярной стене, а люди в пещере видят его проекцию.

Метафора пещеры проходит через всю книгу Краусса. Так он показывает процесс познания. Все просто: нужно понять, что нет никаких оков, и выйти из пещеры.

История великих объединений

Первые две части книги, «Бытие» и «Исход», — это развернутое введение к третьей — «Откровению». 

Начинается история великих объединений с Ньютона. Как мы все слышали, Ньютон открыл закон всемирного тяготения, когда ему на голову упало яблоко. Как ни странно, эта история почти правдива. Ньютон увидел, как падает яблоко, и представил себе бабочку, которая сидит на яблоке. Когда яблоко падает, в системе координат бабочки ничего не меняется. Относительно яблока она остается в покое. Но на нее стремительно падает Земля. Ньютон понял, что не только яблоко падает на Землю, но и Земля падает на яблоко. Они притягиваются друг к другу, потому что у всех вещей есть масса. Если массы объектов сравнимы, то это взаимодействие можно увидеть явно. И тогда можно объяснить, как Луна вращается вокруг Земли и как Земля вращается вокруг Солнца. Ньютон предположил, что масса есть не только у осязаемых предметов, но и у частиц света — корпускул. Здесь, правда, он немного ошибся.

Масса — это универсальный параметр. Гипотетически мы можем положить протон на весы и измерить силу, с которой протон давит на опору. Мы получим вес протона. Вес зависит от массы, но не только массы. Масса это что-то совсем другое. Так что же это? Чтобы получить ответ, пришлось подождать триста с лишним лет. Ответ был получен, когда Большой адронный коллайдер зарегистрировал бозон Хиггса.

Ньютоном история великих объединений только началась. Краусс подробно останавливается на многих из них. В XIX веке Джеймс Максвелл объединил в единой системе уравнений электрическое и магнитное поля. В начале XX века Альберт Эйнштейн в теории относительности описал пространство-время. А потом физики открыли еще одну дверь в магический мир: родилась квантовая механика. В этом мире работают другие законы, совсем не похожие на те, что мы видим вокруг себя. 

Предсказание Питера Хиггса

Мы прекрасно знаем, что такое гравитационное и электромагнитное взаимодействия. Нас притягивает Земля — это гравитация. Мы видим свет — это электромагнитное поле. Первую теорию гравитации построил Ньютон, а первую теорию электромагнитных взаимодействий разработал Максвелл. Здесь в первом приближении все понятно. Но когда физики «заглянули» внутрь атомного ядра, они увидели, что там есть как минимум еще два взаимодействия. Одно из них назвали «сильным», а другое — «слабым». 

О сильном взаимодействии мы все слышали. Это — ядерные силы. Человек даже научился их использовать в атомных электростанциях. А вот что такое «слабое взаимодействие»? 

И сильное, и слабое взаимодействия заметны только на очень малых расстояниях. Сильное — в пределах атомного ядра, слабое — вообще внутри протона или нейтрона. 

Зачем ученым понадобилось это слабое взаимодействие, если его почти нигде нет? Оказалось, что оно очень важно для нашего мира.

Физики заметили, что слабое и электромагнитное взаимодействие очень похожи. Только электромагнитное — дальнодействующее, и оно гораздо сильнее. 

Уже в начале 60-х годов было теоретически показано, что при очень высоких энергиях слабое взаимодействие и электромагнитное можно описать одними и теми же уравнениями. Но в нормальных условиях нашего мира они совершенно разные. Почему?

На этот вопрос попробовал ответить физик-теоретик Питер Хиггс. Он предположил, что различие слабого и электромагнитного взаимодействий может быть следствием «спонтанного нарушения симметрии». Что это такое, Краусс объясняет на примере. Представьте, что у вас есть трубочка для коктейлей. Вы ставите ее на стол вертикально, слегка прижимая верхний конец ладонью. Система симметрична. Вы начинаете слегка надавливать на верхний конец трубочки. Сначала ничего не происходит. Но если нажать сильнее, трубочка изогнется. Куда изогнется трубочка, предугадать нельзя. Направление изгиба всегда случайно. Это и есть «спонтанное нарушение симметрии». 

В нашем мире любому закону сохранения соответствует определенный вид симметрии. Если симметрия нарушена, ее можно попытаться восстановить, добавив в систему новую силу. Например, можно попробовать выровнять трубочку, приложив усилие по горизонтали. 

Хиггс предположил существование особого поля. Оно оказалось совершенно экзотическим. Но оно давало теоретическое объяснение, почему слабое и электромагнитное взаимодействия, абсолютно разные при малых энергиях, вдруг становятся единым целым при больших. 

Хиггс ни на чем на настаивал, только предполагал. Он написал статью, послал ее в журнал. Статью печатать отказались. Тогда Хиггс дописал к ней буквально пару абзацев, в том числе фразу, которая обессмертила его имя: «Стоит отметить, что важной особенностью теории данного типа является предсказание неполных мультиплетов скалярных и векторных бозонов». Так явился свету тот самый «скалярный бозон», который позднее стал всемирно знаменит как бозон Хиггса. Статью напечатали сразу, а бозон искали еще полвека. 

Теория, объединившая слабое и электромагнитное взаимодействия, была подтверждена экспериментально еще в 70-е. Ее создатели — Глэшоу, Вайнберг и Салам — получили Нобелевскую премию. Хиггсу пришлось подождать. 

Открытие бозона

4 июля 2012 года на Большом адронном коллайдере в ЦЕРНе — в лаборатории Европейской организации по ядерным исследованиям недалеко от Женевы — шел рутинный эксперимент. Физики искали бозон Хиггса. Искали уже не первый год. Были проверены различные условия, и надежд оставалось все меньше. Накануне Краусс связался с физиками ЦЕРНа. Ему сказали: «Почти все проверили. Остался последний диапазон масс. Знаешь, похоже его все-таки нет». Краусс стал набрасывать статью, которая объяснила бы, почему бозон Хиггса найти не удалось. 

Но вдруг в том канале распада, который и был предсказан теорией, появились явные признаки неизвестной частицы. Параметры частицы точно соответствовали вычисленным теоретически параметрам бозона Хиггса. Сказать, что физики были взволнованы, это ничего не сказать. Они боялись поверить своим глазам. Эксперимент повторили. Еще раз все проверили и перепроверили. Частица устойчиво определялась детекторами. Тогда решили собрать пресс-конференцию и сообщить об открытии. 

Наверное, самым взволнованным был сам Питер Хиггс. Открытие бозона автоматически означало, что следующую Нобелевскую премию по физике получит он. Но, наверное, не только поэтому. Питер Хиггс оказался тем человеком, кто вышел из платоновой пещеры и увидел, какова реальность мира.  

Краусс образно описывает, как работает поле Хиггса. Представьте себе вязкую, сильно разбитую дорогу. По этой дороге двигаются машины. Одни увязают глубоко, другие почти скользят по поверхности. Причем это зависит только от формы машины. Они ничего не весят. Инертная масса — это сопротивление, которое дорога  оказывает машине. Вот эта вязкая дорога и есть поле Хиггса. А бозон Хиггса — квант этого поля.

Открытие бозона Хиггса означало завершение Стандартной модели — теории, которая описывает три главных взаимодействия из четырех: электромагнитное, слабое и сильное. За границами Стандартной модели остается гравитация. Существует много гипотез нового великого объединения, но пока неясно, как их проверить. Речь идет о таких огромных энергиях, что сегодня они совершенно недоступны. Впрочем, во времена Платона люди не могли себе представить энергию, которую сегодня создает Большой адронный коллайдер. 

Почему мы существуем

Хотя вопрос «Почему мы существуем?» и вынесен в заголовок книги, Краусс считает его не слишком точным. С точки зрения физики правильнее спросить «Каким образом мы существуем?». На этот вопрос мы можем попытаться ответить. Мы такие, какие мы есть, потому что происходит «спонтанное нарушение симметрии». То есть наше бытие — это случайность мироздания.

На вопрос «Каким образом мы существуем?» нельзя дать окончательный ответ. Всегда потребуются уточнения, новые теории и новые эксперименты. Горизонт познания всегда будет сдвигаться. Величайшая история никогда не будет рассказана до конца. Самое интересное всегда в будущем.

И всегда найдется кто-то, кто выйдет из платоновой пещеры и увидит, как выглядит мир на самом деле.

Заинтересовались книгой и хотите прочесть целиком? Скачайте бесплатно на Всенауке.