Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

Эд и Дэйв – кварки: Эд – истинный, а Дэйв – верхний; полчища поклонников – поле Хиггса. Как вы понимаете, фанаты будут гораздо активнее взаимодействовать со своим любимым певцом, чем с владельцем магазина из Ноттингема. Когда они заполняют комнату – иными словами, когда поле Хиггса «включено», – они замедляют Эда гораздо сильнее, чем Дейва. Кажется, что он в каком-то смысле стал тяжелее: они придают ему больше массы. То же происходит с истинным и верхним кварками. Истинный кварк сильнее взаимодействует с полем Хиггса, поэтому при «включении» хиггсовского поля он приобретает большую массу. В этой аналогии есть даже сам бозон Хиггса. Вы можете представить его в виде волны возбуждения, пробегающей по фанатам. Возможно, до них дошел слух, что Эд собирается петь, и они начинают обсуждать шепотом эту новость, собираясь в группы-кластеры. Эти кластеры перемещаются по помещению, как бозон Хиггса, двигающийся по туннелям под горами в ЦЕРН. Если в зале соберется больше фанатов, кластеры будут двигаться медленнее, потому что увеличилось число людей, которым нужно рассказать слух. Это похоже на то, как хиггсон взаимодействует сам с собой: замедляя себя, придавая своему колебанию немного больше массы.

Обнаружить такой бозон Хиггса, как наш, – все равно что найти снеговика в пламени ада. Это может случиться, но в реальности не должно происходить. Предположим, вы поместили кубик льда в какое-то горячее место. Действительно горячее – печь или огненную бездну вечного проклятия. Вы не ожидаете, что кубик льда продержится очень долго. Проблема в том, что в окружающей среде слишком много тепловой энергии. Когда молекулы воздуха отскакивают ото льда, они передают ему эту энергию и кубик тает. Есть очень маленькая вероятность, что этого не произойдет: если молекулы чудесным образом будут пролетать мимо куба, лед уцелеет. Но это очень маловероятно.

Ситуация с бозоном Хиггса очень похожа. Имеется окружающая квантовая энергия, которая хочет сделать его намного тяжелее, чем он есть на самом деле, – таким тяжелым, как мимарида! Эта квантовая энергия исходит от виртуальных частиц – тех, которые вы никогда не сможете подержать в руках. Помните, что квантовые поля всегда общаются друг с другом и у частицы это иногда может вызвать кризис идентичности.

Чтобы лучше понять это, забудем ненадолго о бозоне Хиггса. Представьте, что у вас есть фотон, который пролетел из Лондона в Париж. Фейнман уже рассказал нам, что любая частица, двигающаяся между двумя точками, будет исследовать все возможные пути: она пойдет прямо, через магазины по дороге, даже через галактику Андромеды. Но мы также знаем, что фотон может превратиться в электрон-позитронную пару и наоборот. Можем ли мы действительно быть уверены, что фотон прошел весь путь от Лондона до Парижа одетым как фотон? Не мог ли он на мгновение или два переодеться в электрон и позитрон, а потом вернуться в исходное состояние? Ответ – твердое «да». Эту неопределенность создает квантовая механика: она заставляет нас исследовать все возможные пути, включая те, на которых частицы меняют свой костюм.

Рисунок в стиле диаграмм Фейнмана, изображающий фотон, который путешествует из Лондона в Париж. На время он переодевается в электрон и позитрон

Представьте бизнесмена, совершающего ту же поездку, что и наш фотон. Он уезжает из Лондона в костюме с Сэвиль-Роу[132] и приезжает в Париж в точно таком же костюме. Есть шанс, что путешественник носил его на протяжении всего своего путешествия. И есть шанс, что нет. Возможно, в какие-то моменты на нем были футбольная форма или коктейльное платье. Вы этого никогда не знаете. Квантовая механика – игра вероятностей. Если есть какой-то шанс, что фотон проведет некоторое время в костюме электрона и позитрона, вам придется это учитывать. Вы можете считать эти альтернативные наряды виртуальными частицами, которые никогда не увидят, никогда не поймают и не перехватят, но которые в итоге оставят свой след. И мы зафиксировали его. Виртуальные электроны и позитроны вызывают расщепление энергетических уровней в атомах водорода – это установил Уиллис Лэмб в 1947 году.

Что все это означает для бозона Хиггса? Если вы спросите, как он попал из Лондона в Париж, то, как и в случае с фотоном, вы не сможете считать, что он все это время был одет как бозон Хиггса. Есть вероятность, что какое-то время он был одет как кварк, электрон или какое-то другое поле, о котором мы даже не знаем. И все это оставит свой след.

Какой именно? Ну все эти перемены костюмов могут вызвать у бозона Хиггса проблемы с массой. Поскольку есть вероятность того, что он какое-то время маскировался под электрон и позитрон, бозон Хиггса захочет ощутить их вес. Вы можете представить, что хиггсон отягощен размером своего гардероба. Виртуальные электроны и позитроны, в которые он переодевается, представляют собой своего рода квантовую среду, воздействующую на бозон, когда он пытается двигаться. С чемоданом, полным этих виртуальных частиц, хиггсон становится тяжелым. Вопрос: насколько тяжелым?