Удивительные числа Вселенной. Путешествие за грань воображения

С другой стороны – частицы с полуцелым спином, например электроны и кварки. Это фермионы. Они отвечают за наполнение Вселенной. Именно из них состоит материя. Фермионы составляют все вещества – звезды, планеты, леденцы… Тому есть очень веская причина. Фермионы не любят, когда их сваливают в кучу в одном состоянии. Природа фактически запрещает, чтобы в какой-то квантовой системе два фермиона находились в одном и том же квантовом состоянии. Это принцип исключения Паули, названный в честь блестящего немецкого физика Вольфганга Паули, с которым мы познакомимся получше в следующих двух главах.

Принцип работает так. Представьте, что два фермиона плавают внутри чашки чая. Что произойдет, если вы поменяете их местами? Фермионы – штучки неуклюжие. Если их поменять местами, они перевернут волну вероятности, описывающую чай: положительный гребень станет отрицательной впадиной и наоборот. Это драма кальмара-вампира, который снова и снова выворачивает себя наизнанку. Если два фермиона будут идентичными, то у вашего чая возникнут проблемы. Под идентичными я подразумеваю подлинных двойников вплоть до их квантовой ДНК – тот же спин, та же энергия, то же мнение о Брексите и т. д. Если их поменять местами, то ничего не изменится. Как это? В конце концов, они же двойники. А ведь мы только что сказали, что все переворачивается. Если переворачивание какой-то волны оставляет ее неизменной, это значит, что у нее изначально не было ни пиков, ни впадин! Куда ни глянуть, волна должна быть идеально плоской, скромно стоящей на нуле. Поскольку в действительности это волна вероятности, получается, вероятность нулевая. Иными словами, у чашки чая с одинаковыми фермионами нет шансов на существование. Что касается кальмара-вампира, то он обычно выворачивается, чтобы отогнать хищников. Если бы он выглядел точно так же внутри, как и снаружи, эта стратегия не сработала бы и такое животное не могло бы выжить. Это и есть принцип исключения Паули[111].

Паули был ярким и бескомпромиссным ученым. На протяжении всей карьеры он славился перфекционизмом, цепкостью и упорством; его называли Совестью Физики за пугающую способность безжалостно критиковать ошибки современников. Рудольф Пайерлс, работавший некогда помощником Паули, вспоминает в мемуарах о некоторых таких критических отзывах. Однажды у Паули спросили мнение о работе одного молодого и неопытного физика. Паули был настолько не впечатлен, что ответил: «Это даже не ошибочно». С тех пор эта фраза вошла в лексикон теоретической физики как способ описать плохую науку[112]. Справедливости ради следует сказать, что Паули мог быть столь же жестким и с более известными коллегами. Однажды он провел день в горячих спорах с великим русским физиком Львом Ландау. Ландау спросил, считает ли Паули все сказанное им вздором. «О нет! Вовсе нет, вовсе нет! – заметил немец. – То, что вы рассказывали, настолько запутано, что никто бы не осмелился сказать, вздор это или нет!»

К бозонам принцип исключения неприменим. Они общительны и рады собраться вместе в одном и том же квантовом состоянии. И именно эта коммуникабельность часто позволяет им превращаться в гигантских бестий макроскопического масштаба. Это особенно важно для злодеев из бондианы, которые обожают строить гигантские лазеры, угрожающие всему человечеству. Лазер – это масштабная совокупность реальных фотонов, многие из которых находятся в одном и том же квантовом состоянии, а их фазы синхронизированы. Макроскопические волны, которые мы наблюдаем в электромагнетизме и гравитации, на самом деле представляют собой реальные фотоны и гравитоны, объединенные в огромных количествах, – и сделать это можно только с бозонами.

Большинство из нас знакомы с электромагнетизмом и гравитацией, а вот два других взаимодействия менее известны, главным образом потому, что действуют только на коротких расстояниях – внутри ядра атома. Как мы вскоре увидим, это мир кварков, связанных воедино глюонами и превращающихся друг в друга с помощью W– и Z-бозонов. Это микроскопический ералаш, который возможен благодаря неизбежному бозону Хиггса, способному высвободить потрясающую мощь – от живительного тепла Солнца до ужаса ядерного апокалипсиса. Как я говорил ранее, этот сложный зоопарк субатомных частиц не вызвал бы симпатии у Аристотеля и его последователей. А у его противника Демокрита и других атомистов? Думаю, им бы он понравился.

Неизбежный бозон Хиггса