Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

Когда древние вавилоняне написали первый ноль, они сделали это ради улучшения учета продуктов питания, скота, людей и товаров. Однако ноль оказался числом со слишком большой индивидуальностью и всегда был обречен на опасности и тревоги. Со временем он стал танцевать с дьяволом, слившись с пустотой и отсутствием Бога. Странно думать, что число, столь долго осуждаемое как ересь, должно существовать в самой сердцевине того, чем на самом деле является природа. В математике ноль – пустое множество, воплощение симметрии, которое можно найти и в физическом мире. Наша Вселенная заполнена нулями – признаками симметрии в часовом механизме фундаментальной физики, от нулевой массы фотона до нулевых изменений заряда и энергии.

Как мы увидим в следующих двух главах, в природе существуют и другие маленькие числа: те, которые намного меньше единицы, но не равны нулю. Примером можно считать массу электрона: она не равна нулю, однако намного меньше, чем масса всех других тяжелых частиц, таких как кварки или бозон Хиггса. Это говорит о симметрии, хотя с небольшим несовершенством, словно пятнышко на лице идеальной красоты. Но существуют также маленькие числа, которые до сих пор не удалось понять, для которых нет известной симметрии. Они – загадки неожиданного мира, загадки фундаментальных частиц, которые должны были оставаться скрытыми; загадки Вселенной, в которой вы и я никогда не должны были родиться.

0,0000000000000001

Неожиданный бозон Хиггса

4 июля 2012 года. Семьи в США праздновали День независимости, однако по-настоящему радостное возбуждение царило в лекционном зале, расположенном у подножия Монблана недалеко от швейцарско-французской границы. Этот зал был крупнейшим в ЦЕРН, европейской организации по ядерным исследованиям, которая проводила масштабный и самый технологически современный эксперимент в истории. Ученые построили машину Большого взрыва – кольцевой коллайдер, который разгонял субатомные частицы почти до скорости света, а затем сталкивал их друг с другом. Физики хотели втиснуть огромное количество энергии в крошечные области пространства, однако под контролем, чтобы зафиксировать происходящее и заглянуть во внутренний механизм фундаментальной физики. Летом 2012 года после некоторых столкновений они увидели нечто важное и были готовы сообщить об этом миру.

В тот день в аудитории собрались пять гигантов физики: Том Киббл, Джерри Гуральник, Карл Хейген, Франсуа Энглер и, конечно, Питер Хиггс. Вместе со своим другом и коллегой Робертом Браутом, умершим годом раньше, они составляли «банду шести», которая сыграла важнейшую роль в понимании происхождения массы в мире, где доминирует симметрия. Их теория, несмотря на широкое признание к тому времени, еще не получила экспериментального подтверждения, а это необходимое условие для получения Нобелевской премии и священный Грааль для любого теоретика. Все изменилось в День независимости США, когда группа из ЦЕРН сообщила о полученных результатах этим пяти ученым и еще полумиллиону наблюдателей в интернете. Они открыли новую частицу с массой около 125 ГэВ и были чертовски уверены, что это и есть бозон Хиггса, или хиггсон.

Было что праздновать: торжествовала как теория, так и эксперимент. В мощных столкновениях частиц ЦЕРН воссоздал печь младенческой Вселенной – первичное скопление кварков, глюонов и других космических ингредиентов. Однако посреди утренних празднеств 4 июля 2012 года скрывалась какая-то темная тайна, нечто тревожное – то, что беспокоило всех теоретиков, собравшихся в зале. Проблема скрывалась в следующем предложении:

Открыта новая частица с массой около 125 ГэВ…

125 ГэВ. Это около 2,2 × 10^–25 кг, если перейти на привычные единицы измерения[104]. Почти в миллиард миллиардов раз меньше, чем масса мимариды – самого маленького насекомого в мире. Конечно, не хотелось бы сравнивать мимариду, состоящую из миллиардов и миллиардов атомов, с единственным бозоном Хиггса, однако даже в этом случае хиггсон гораздо легче, чем ожидалось. По общему мнению, он должен был оказаться действительно тяжелой частицей – намного тяжелее, чем электрон или протон. Он должен весить несколько микрограммов. Примерно как мимарида.