Почему мы существуем? Величайшая из когда-либо рассказанных историй - Лоуренс Краусс

Когда я был юным выпускником-физиком Массачусетского технологического института, меня влекли к себе глубокие математические вопросы физики, и моя работа при поступлении в аспирантуру была посвящена им. Но прошло несколько лет, и природа математических исследований, которыми я занимался, начала подавлять меня. Я познакомился с Глэшоу в летней школе для аспирантов и подружился и с ним самим, и с его семьей – позже, когда мы с ним стали коллегами по Гарварду, эта дружба продолжилась. Через год после нашей встречи он взял творческий отпуск, чтобы провести его в МТИ. Для меня это был важный год, я тогда рассматривал альтернативные варианты, и он сказал мне: «Есть физика, а есть уравнения, и нужно понимать разницу». Этот совет подразумевал, что мне следует продолжать заниматься физикой. Когда я увидел, каким интересным делом он занимается и какую радость от этого получает, мне стало легче думать о том, чтобы и самому заняться чем-то подобным.

Как я вскоре понял, мне, чтобы добиться чего-либо в физике, нужно работать над вопросами, движимыми в основном физическими проблемами, а не математическими. Для этого не существует других способов, кроме как следить за текущими экспериментами и всегда быть в курсе новых экспериментальных результатов. Наблюдая за Шелли и за тем, как он занимался физикой, я понял, что он обладает поразительной способностью видеть, какие эксперименты интересны и какие результаты могут оказаться значительными или указывать на что-то новое. Отчасти это, несомненно, была врожденная способность, но в какой-то мере она базировалась на громадном опыте, на постоянных контактах с экспериментаторами и постоянном отслеживании всего, что происходит «на земле». Физика – эмпирическая наука, и терять связь с реальностью опасно для нас.

В Копенгагене Глэшоу понял, что если он хочет надлежащим образом воплотить предложение Швингера и связать слабое взаимодействие с электромагнитным, то просто объявить фотон нейтральным членом тройки калибровочных частиц, заявив, что два заряженных члена становятся массивными посредством какого-то неизвестного пока чуда, мало. Это не объяснит подлинную природу слабого взаимодействия и, в частности, тот странный факт, что слабое взаимодействие работает, судя по всему, только с левыми электронами (и нейтрино), тогда как электромагнитное взаимодействие не различает левые и правые электроны.

Единственным решением этой проблемы представлялось существование еще одной нейтральной калибровочной частицы в дополнение к фотону, которая сама по себе связывалась бы только с левыми частицами. Но эта новая нейтральная частица, очевидно, тоже должна была быть тяжелой, поскольку переносимые ею взаимодействия были слабыми.

С идеями Глэшоу физическое сообщество познакомил Мюррей Гелл-Манн в 1960 г. на Рочестерской конференции, поскольку к тому времени Гелл-Манн успел привлечь Глэшоу к работе в своей группе в Калтехе. Статья Глэшоу на эту тему, представленная в 1960 г., вышла из печати в 1961 г., но не вызвала сколько-нибудь широкого отклика.

В конце концов, в гипотезе Глэшоу по-прежнему фигурировали две фундаментальные проблемы. Первая была давно знакома: как могут частицы, переносящие разные взаимодействия, обладать разными массами, если калибровочные симметрии требуют, чтобы все калибровочные частицы не имели массы вовсе. Глэшоу просто, как и многие до него, высокомерно заявил во введении к статье: «Это камень преткновения, на который мы не должны обращать внимания».

Вторая проблема была более тонкой, но с экспериментальной точки зрения не менее серьезной. И нейтронный, и пионный, и мюонный распад, если их и в самом деле обеспечивали какие-то новые частицы, переносящие слабое взаимодействие, как будто требовали только обмена новыми заряженными частицами. До сих пор не наблюдалось никакого слабого взаимодействия, которое требовало бы обмена некоей новой нейтральной частицей. И если бы такая нейтральная частица действительно существовала, то, как показывали тогдашние расчеты, она позволяла бы прочим известным тяжелым мезонам, распадавшимся на два или три пиона (из-за которых и возникла первоначально путаница, в результате чего было обнаружено нарушение четности), распадаться намного быстрее, чем это наблюдалось в экспериментах.

По этим причинам гипотеза Глэшоу отошла на задний план; тем временем физиков все сильнее увлекал настоящий зоопарк новых частиц, вылетавших из ускорителей, и сопутствующая им возможность новых открытий. И хотя несколько ключевых теоретических ингредиентов, необходимых для завершения революции в фундаментальной физике, уже были на месте, это в то время было далеко не очевидно. То, что всего лишь за десять с небольшим лет после выхода статьи Глэшоу все известные взаимодействия в природе, за исключением гравитации, предстанут в новом свете и будут поняты, показалось бы в тот момент чистой фантазией.

А ключом ко всему послужила симметрия.

Легко испытывать жалость по отношению к несчастным обитателям Платоновой пещеры, которые способны узнать и понять все, что можно узнать о тенях на стене, за исключением того, что всё это – тени. Но внешность бывает обманчива. Что, если мир вокруг нас всего лишь подобная им тень реальности?

Представьте, к примеру, что вы просыпаетесь однажды морозным зимним утром и выглядываете в окно – а все стекло покрыто красивыми ледяными кристаллами, образующими на стекле странные рисунки. Вот примерно как на этой фотографии. Красота изображения поражает отчасти из-за замечательной упорядоченности на малых масштабах, которая сочетается с очевидной беспорядочностью на больших масштабах. Из кристаллов льда выросли великолепные древовидные структуры, выходящие из основания в самых разных направлениях и сталкивающиеся друг с другом под случайными углами. Контраст между упорядоченностью на малых масштабах и явным беспорядком на крупных наводит на мысль, что для крохотных физиков или математиков, живущих в замкнутом пространстве на оси одного из сфотографированных ледяных кристаллов, Вселенная выглядела бы совсем не так, как для нас.

Пространственное направление, соответствующее оси ледяного кристалла, обладало бы особыми свойствами. Природный мир казался бы ориентированным относительно этой оси. Более того, с учетом строения кристаллической решетки электрические силы вдоль оси казались бы совсем не такими, как в перпендикулярном направлении: одна и та же сила проявляла бы себя как разные силы.

Если бы физик или математик, живущий на кристалле, был умен или, подобно математику в Платоновой пещере, удачлив и смог покинуть кристалл, то ему скоро стало бы ясно, что особое направление, определяющее физику привычного ему мира, всего лишь иллюзия. Он понял бы – или, по крайней мере, обоснованно предположил, – что другие кристаллы, возможно, сориентированы в других направлениях. В конечном итоге, если бы этот ученый смог взглянуть на окно снаружи в достаточно крупном масштабе, ему стала бы очевидна фундаментальная симметрия природы в отношении поворотов, проявляющаяся в том, что кристаллы могут расти во всех направлениях.