Лоуренс М. Краусс

Таємниці походження всесвіту

Схвальні відгуки на адресу книжки «Таємниці походження всесвіту»

В усіх моїх дебатах із теологами та вірянами їхній останній нокаут-аргумент має форму двох запитань: “Чому існує щось, а не нема нічого?” та “Чому існуємо ми?”. Припускають, що, якщо наука не дає на це відповіді, значить, повинен існувати Бог. Як би там не було, хочеться мати відповіді на ці запитання. У “Всесвіті з нічого” Лоуренс Краусс, один із найвидатніших мислителів сучасності, з вогником відповів на перше запитання, а в “Таємницях походження всесвіту” він витончено розправляється з другим. Обидві ці книги мають стояти в готельних номерах по всій Америці поруч із Бібліями від “Гедеон”.

Майкл Шермер,

видавець журналу «Skeptic»,

колумніст часопису «Scientific American»,

автор книги «Моральна дуга»

Відкриття засадничих основ фізичної реальності є одним із найвизначніших колективних досягнень людства. У цій книзі детально розглянуто основні ідеї та історію їх виникнення. Краусс особисто зблизька знає цю сферу й здатен проникати в сутність персоналій, під проводом яких відбулися ключові прориви. Цьому досвідченому та вмілому письменникові вдалося зробити фізику “якнайпростішою, проте не більш простою”. Я не знаю кращої книжки на цю тему.

Мартін Різ,

автор книги «Лише шість чисел»

У голові паморочиться від читання цього захопливого твору, який веде вас від Галілея до Стандартної моделі, бозона Хіггса й далі, супроводжується яскравими подробицями та проникливістю, що яскраво висвітлюють не лише самі досягнення, а й радість творчого мислення й відкриття, та щедро приправлений віньєтками визначних особистостей, які прокладали цей шлях. Він вичерпно демонструє, що відкриття того, що “природа насправді дотримується простих та вишуканих правил, інтуїтивно осягнутих новітніми Платоновими філософами ХХ та ХХІ століть”, є одним із найприголомшливіших досягнень людського інтелекту.

Ноам Хомський,

інститутський професор та професор мовознавства МТІ у відставці

Я був у захваті від сцен бійок, а сцени сексу просто чудові.

Ерік Айдл

Присвячено Ненсі

Вміють тут плакать над горем,

бідою журитись людською.[1]

Вергілій. Енеїда

Пролог

Найважче побачити те, що є насправді.

Дж. А. Бейкер. Сапсан

На початку було світло.

Але, крім цього, була ще гравітація.

А тоді все пішло шкереберть…

Саме таким може бути доречний вступ до найвидатнішої інтелектуальної пригоди в історії. Це оповідь про звитягу науки заради викриття прихованих реальностей, що лежать в основі відомого нам світу, яка потребувала задіяння самих-самих вершин людської творчості та інтелектуальної мужності в безпрецедентному глобальному масштабі. Цей процес був би неможливим без готовності порвати з усіма будь-якими переконаннями, упередженнями й догмами, як науковими, так і будь-якими іншими. Ця оповідь сповнена драматизму та несподіванок. Вона повністю охоплює всю історію людства, і, що найцікавіше, поточна її версія не є остаточною – це лише черговий чорновий варіант.

Це оповідь, яка заслуговує якнайбільшого поширення. У країнах першого світу фрагменти цієї оповіді вже сприяють поступовому витісненню міфів та забобонів, у яких століття чи тисячоліття тому знаходили заспокоєння менш освічені суспільства. Разом із тим завдяки режисерам Джорджеві Стівенсу й Девідові Ліну «найвидатнішою оповіддю з коли-небудь розказаних» досі подеколи називають юдейсько-християнську Біблію. Така характеристика дивує, оскільки, якби й зробити поправку на численні сцени сексу та насильства, а також дещицю поезії в Книзі Псалмів, є підстави стверджувати, що Біблія як літературний твір не витримує конкуренції з настільки ж пікантними, проте менш жорстокими грецькими та римськими епосами на кшталт «Енеїди» чи «Одіссеї» навіть попри те, що англійський переклад Біблії слугував взірцем для багатьох пізніших книжок. Хай там що, але як посібник для розуміння світу Біблія безнадійно непослідовна та застаріла. І є всі підстави стверджувати, що якщо розглядати її як посібник із людської поведінки, то виявиться, що великі фрагменти перебувають на межі відвертої непристойності.

У науці саме слово «святиня» є лайливим. Жодні ідеї, релігійні чи ні, не є недоторканними. Саме тому самопожертва пророка двотисячолітньої давнини не стала кульмінацією людської історії, як не стала нею й смерть іншого пророка шістсот років по тому. Оповідь про наше походження та майбутнє розповідається й понині. І ця оповідь весь час стає дедалі цікавішою завдяки не об’явленню, а непоступливій ході наукових відкриттів.

Усупереч багатьом поширеним стереотипам, ця наукова оповідь включає в себе також і поезію, і глибоку духовність. Але ця духовність має додаткову чесноту, оскільки прив’язана до реального світу, а не створена великою мірою заради потурання нашим надіям та мріям.

Уроки наших досліджень невідомого, очолюваних не нашими пристрастями, а силою експерименту, просто принизливі. П’ять сотень років наукового пізнання звільнили людство з кайданів нав’язаного неуцтва. Згідно з цими стандартами, наскільки космічні масштаби повинна мати пиха, що лежить в основі твердження, нібито всесвіт був створений задля того, щоб могли існувати ми? Яка короткозорість лежить в основі твердження, що риси відомого нам усесвіту характерні для всесвіту в усьому часі й просторі?

У результаті історії науки цей антропоцентризм був відкинутий на узбіччя. Що прийшло на його місце? Чи втратили ми щось від цього, чи, як буде показано далі, навпаки, здобули щось значно більше?

Якось на громадському заході я сказав, що справою науки є змушувати людей відчувати дискомфорт. На мить я пошкодував про свої слова, оскільки непокоївся, що вони відлякають людей. Проте почуття дискомфорту є чеснотою, а не вадою. Усе в нашій еволюційній історії запрограмувало наш розум на сприйняття концепцій, що сприяють нашому виживанню, на кшталт природної телеологічної схильності дітей вважати, що всі речі існують заради якоїсь мети, та загальнішої схильності до антропоморфізації неживих об’єктів, наділення їх волею, оскільки, вочевидь, краще помилково прийняти інертний об’єкт за загрозу, аніж загрозу – за інертний об’єкт.

Еволюція не підготувала наш розум до сприйняття великих чи малих масштабів часу або коротких чи велетенських відстаней, які ми не здатні відчути безпосередньо. Тож зовсім не дивно, що деякі визначні відкриття наукового методу, такі як еволюція чи квантова механіка, у найкращому випадку неочевидні й можуть вивести більшість із нас далеко за межі нашої короткозорої зони комфорту.

Це ще одна причина, чому беззаперечно варто оприлюднити найвидатнішу оповідь із коли-небудь розказаних. Найкращі оповіді кидають нам виклик. Вони змушують нас по-іншому поглянути на самих себе, перебудувати наше бачення самих себе й нашого місця в космосі. Це справедливо не лише для найвидатніших творів літератури, музики чи образотворчого мистецтва. Це справедливо також і для науки.

У цьому сенсі дуже шкода, що заміну давніх вірувань сучасним науковим просвітництвом часто описують як «втрату віри». Наскільки видатнішою за розказану нами буде оповідь, яку зможуть розказати наші діти? Безумовно, саме це є найзначнішим внеском науки в розвиток цивілізації: гарантувати, що найвидатніші книги написані не в минулому, а в майбутньому.

Усяка епічна оповідь має мораль. З нашої ми дізнаємося, що, якщо дозволимо космосу вести наш розум теренами емпіричного відкриття, матимемо величезне багатство духу, на службу якому поставлено найкраще, що може запропонувати людство. Це дає нам надію на майбутнє, оскільки дозволяє увійти в нього з розплющеними очима та необхідними для активної участі в ньому знаряддями.

* * *

Моя попередня книга «Всесвіт із нічого» описувала, як революційні відкриття, зроблені впродовж останніх ста років, змінили спосіб нашого розуміння довкілля в процесі еволюції всесвіту в найбільших його масштабах. Ця зміна змусила науку безпосередньо зайнятися питанням «Чому існує щось, а не нема нічого?», яке досі було територією релігії, та переробити його на щось менш соліпсистичне та операційно корисніше.

Подібно до «Всесвіту з нічого», ця оповідь також бере початок із лекції, яку я прочитав, цього разу в Смітсонівському інституті у Вашингтоні, округ Колумбія, яка свого часу наробила певного шуму, і, як наслідок, я знову дістав стимул розвинути ідеї, які почав напрацьовувати в цій лекції. На відміну від «Всесвіту з нічого», у цій книзі я досліджую протилежний бік спектра наших знань та його настільки ж потужні наслідки для розуміння старих як світ питань. Ґрунтовні зміни способу нашого розуміння природи в її найдрібніших масштабах дають нам змогу так само ставити інше, не менш фундаментальне запитання: «Чому існуємо ми?»

Ми побачимо, що реальність не така, як ми гадали. Під її поверхнею ховаються «чудернацькі», алогічні, невидимі внутрішні механізми, здатні, як і виниклий із нічого всесвіт, похитнути наші уявлення про те, що насправді має сенс.

І подібно до висновку, якого я дійшов у попередній книзі, головний урок з оповіді, яку викладу далі, полягає в тому, що світ, у якому нам із вами доводиться жити, не має якогось прозорого плану чи мети. Наше існування не було визначене наперед; натомість воно, судячи з усього, є дивним випадком. Ми балансуємо на ненадійному уступі, і остаточна рівновага визначається феноменами, що лежать глибоко під поверхнею наших чуттів – феноменами, що жодним чином не залежать від нашого існування. У цьому плані Ейнштейн помилявся: «Бог» усе ж таки грає в кості зі всесвітом чи всесвітами. Досі нам усім щастило. Але, як і під час гри в крепс у казино, нам не може щастити вічно.

* * *

Людство зробило величезний крок уперед до сучасності, коли нашим пращурам спало на думку, що всесвіт улаштований складніше, ніж здається на перший погляд. Це осяяння навряд чи було випадковим. Схоже, ми запрограмовані на потребу в наративі, який виходить за рамки нашого існування та наділяє його сенсом; потребу, що, не виключено, тісно пов’язана з виникненням релігійних вірувань у ранніх людських суспільствах.

Натомість історія виникнення сучасної науки та її відходу від забобонів є оповіддю про виявлення прихованих реальностей природи за допомогою міркувань та експериментів у рамках процесу, у ході якого на перший погляд ніяк не пов’язані, дивні та подеколи загрозливі феномени врешті-решт були осягнуті як взаємопов’язані під видимою поверхнею. Кінець кінцем ці взаємозв’язки розігнали всіх гоблінів і фей, які до цього кишма кишіли поміж наших пращурів.

Саме виявлення зв’язків між феноменами, які досі здавалися абсолютно ніяк не пов’язаними, свідчить про прогрес у науці красномовніше за будь-який інший окремо взятий індикатор. Класичними прикладами цього є поміж іншим установлений Ньютоном взаємозв’язок між орбітою Місяця та яблуком, що падає; здогад Галілея, що абсолютно різна спостережувана поведінка об’єктів під час падіння приховує факт їх тяжіння до земної поверхні з однаковим прискоренням; та епохальне збагнення Дарвіна, що все розмаїте життя на Землі може розвинутися від спільного прабатька внаслідок простого процесу природного відбору. На перших порах жоден із цих зв’язків не виглядає аж надто очевидним. Проте після того, як спорідненість виявляє себе й стає зрозумілою, настає мить осяяння та близькості, яка супроводжується вигуком «Ага!», коли так і хочеться сказати: «І як же я раніше не здогадався!»

Наша сучасна картина природи на найфундаментальнішому рівні, яка дістала назву Стандартної моделі, містить стільки всього, що очі розбігаються, зокрема й зв’язки, страшенно далекі від сфери буденного досвіду. Далекі настільки, що без певної підготовки неможливо одним ривком навіть просто візуально їх собі уявити.

Не дивно, що такого ривка так ніколи й не відбулося. Цілісна картина, яку ми наразі маємо, утворилася в результаті послідовності видатних, неочікуваних та на перший погляд ніяк не пов’язаних між собою зв’язків. У результаті постала настільки витіювата математична архітектура, що вона видається свавільною. Зазвичай «Ага!» – це останнє, що вигукують невтаємничені, коли чують про бозон Хіггса чи Велике об’єднання сил природи.

Для виходу за межі поверхневих шарів реальності потрібна оповідь, що поєднає відомий нам світ із найвіддаленішими закутками світу навколо нас. Цей прихований світ неможливо зрозуміти за допомогою інтуїтивних знань, що ґрунтуються на самих лише безпосередніх відчуттях. Саме таку оповідь я хочу запропонувати в цій книзі. Ми здійснимо подорож у самісіньке серце таємниць, що лежать на краю нашого розуміння простору, часу та сил, що діють усередині них. Моя мета полягає не в тому, щоб вас зайвий раз спровокувати чи образити, а щоб спонукати вас, так само як нові відкриття спонукають та тягнуть за собою в нову, одночасно некомфортну й таку, що надихає нас, фізиків.

Наші найостанніші відкриття стосовно фундаментальних масштабів природи змінили наше сприйняття невідворотності нашої присутності у всесвіті так сильно, що аж морозом проймає. Вони також надали докази того, що наше майбутнє поза всяким сумнівом радикально відрізнятиметься від наших можливих уявлень, і ще зменшують нашу значимість для космосу.

Звісно, можна зробити вибір на користь заперечення цієї некомфортної, незручної дійсності, цього байдужого та за всіма ознаками довільного всесвіту, проте якщо розглянути це в іншому контексті, картина буде зовсім не така гнітюча. Усесвіт без мети – а саме таким, наскільки я можу судити, він і є – набагато захопливіший, ніж сконструйований винятково для нас, оскільки в такому разі можливості існування значно різноманітніші та більш далекосяжні. Як же ж надихає, коли виявляєш перед собою доступний для дослідження екзотичний звіринець зі своїми законами та явищами, що досі здавалися недосяжними навіть у найнестриманіших мріях, та пробуєш розплутати вузлувату мішанину вражень і знайти під цим усім хоч якусь подобизну порядку. І наскільки ж захопливо віднайти той порядок та скласти в одне ціле узгоджену картину всесвіту на рівнях, значно глибших за ті, які ми коли-небудь зможемо відчути безпосередньо, – картину, сплетену докупи нашою здатністю передбачити, що станеться далі, та здатністю керувати довкіллям, яка постає з цього. Як нам пощастило мати свою коротку мить під Сонцем. Щодня, тільки-но ми відкриваємо щось нове й несподіване, наша оповідь стає дедалі кращою.

Частина 1

Буття

Розділ 1

Від шафи до печери

Нерозумні глупоту вспадковують, а мудрі знанням коронуються.

Приповісті 14:18[2]

На моєму початку було світло.

Звісно, на початку часу було світло, проте перш ніж перейти до початку часу, необхідно дослідити наші власні витоки, що також означає дослідження початку науки. А це свідчить про повернення до найфундаментальнішого мотиву як науки, так і релігії: прагнення чогось іще. Чогось поза межами всесвіту нашого досвіду.

Для багатьох це прагнення переходить у дещо, що наділяє всесвіт значенням та метою й виростає в бажання дістатися якогось прихованого місця, кращого за світ, у якому ми живемо, де прощають гріхи, відсутній біль та не існує смерті. Проте інші прагнуть дістатися прихованого місця зовсім іншого виду – фізичного світу поза межами наших чуттів; світу, що допомагає зрозуміти не чому речі поводяться саме так, а не інакше, а яким чином це відбувається. Цей прихований світ лежить під поверхнею того, що доступно нашим чуттям, і його розуміння дає нам силу змінювати наше життя, наше середовище та наше майбутнє.

Контраст між цими двома світами відображають два дуже різні літературні твори.

Перший із них, «Лев, чаклунка й одежна шафа» К. С. Льюїса, є дитячим фентезі зразка ХХ століття з яскраво вираженими релігійними мотивами. Він фіксує дитячий досвід, який мав багато хто з нас: заглядання під ліжко, у стінну шафу чи на горище в пошуках захованих скарбів чи свідчень того, що існує щось більше за те, з чим ми зазвичай маємо справу. У цій книзі група школярів залазить у велику одежну шафу в сільському будинку неподалік від Лондона, куди їх відправили, аби в безпеці пережити Другу світову війну, і потрапляють у незвичайний новий світ – Нарнію. З допомогою лева, який подібно до Христа заради перемоги над злом цього світу дозволяє принизити себе та принести в жертву на вівтарі, дітям вдається врятувати Нарнію.

Хоча релігійні алюзії твору Льюїса абсолютно очевидні, ми можемо проінтерпретувати його й іншим чином – як алегорію не існування Бога чи диявола, а чудових та потенційно жахливих можливостей невідомого; можливостей, що лежать одразу ж за межею наших чуттів і прямо чекають, доки ми наберемося сміливості вирушити на їхні пошуки. Можливостей, які, щойно ми їх розкриємо, можуть збагатити наше розуміння самих себе чи надати почуття цінності та мети тим, хто відчуває в цьому потребу.

Портал у прихований світ усередині шафи водночас безпечний, зі знайомим запахом часто вдяганого одягу, і таємничий. Він уособлює потребу вийти за межі класичних понять простору й часу. Адже, якщо спостерігач, який перебуває перед чи поза шафою, нічого не бачить, а щось нове відкривається лише тому, хто наразі всередині, то простір, доступний усередині шафи, значно перевищує простір, який видно ззовні.

Така концепція характерна для всесвіту, де простір і час можуть бути динамічними, як у загальній теорії відносності, де, приміром, ззовні «горизонту подій» чорної діри – радіуса, потрапивши в який, неможливо вийти – може здатися, що чорна діра займає невеликий об’єм, проте для спостерігача всередині «горизонту» (якого ще не розірвало на шматки наявними там гравітаційними силами) її об’єм може виглядати зовсім інакше. Дійсно, цілком можливо, хоча це виходить далеко за межі сфери, де можна здійснювати надійні обрахунки, що простір усередині чорної діри може слугувати порталом в інший усесвіт, від’єднаний від нашого.

Проте ключовий момент, до якого я волів би повернутися, полягає в тому, що можливість існування всесвітів поза межами нашого чуття видається пов’язаною, принаймні в літературній та філософській уяві, з можливістю того, що сам простір не є тим, чим здається на перший погляд.

Провісник такого уявлення, «протоісторія», якщо хочете, була написана за двадцять три століття до того, як Льюїс виклав на папері свій фентезійний твір. Ідеться про «Республіку» Платона, зокрема про мій улюблений розділ, що містить алегорію печери. Попри дуже давнє походження, вона більш безпосередньо та більш чітко підкреслює як потенційну необхідність, так і потенційні загрози пошуку розуміння поза межами наших безпосередніх чуттів.

У рамках цієї алегорії Платон порівнює наше відчуття реальності з відчуттям групи індивідів, упродовж усього життя ув’язнених у печері й змушених роздивлятися порожню стіну. Єдиним їхнім вікном у реальний світ є ця стіна, освітлена розведеним за їхніми спинами вогнищем, на якій вони бачать тіні, що рухаються. Тіні відкидають розташовані позаду них об’єкти, які світло вогнища проектує на стіну.

Нижче наводжу рисунок зі шкільного підручника за 1961 рік, у якому я вперше прочитав цю алегорію.

Цей рисунок цікавий тим, що не лише чітко відображає описану в діалозі конфігурацію печери, а й багато говорить про час, коли його було намальовано. Чому, до прикладу, усі в’язні – жінки, до того ж напівголі? У часи Платона будь-яку сексуальну алюзію могли спокійно проілюстровати юнаки.

Платон стверджує, що ув’язнені вважатимуть тіні реальністю та навіть даватимуть їм назви. Це припущення не позбавлене обґрунтованості та, як ми незабаром побачимо, у певному розумінні є дуже сучасним поглядом на те, чим є реальність, а саме: тим, що ми можемо безпосередньо виміряти. Утім, моїм улюбленим досі лишається визначення реальності, яке дав письменник-фантаст Філіп Дік: «Реальність – це те, що не зникає, коли перестаєш у нього вірити». Для в’язнів тіні є тим, що вони бачать. Також вони, можливо, чутимуть лише відлуння шуму позаду них, оскільки звуки відбиватимуться від стін.

Платон порівнював філософа з в’язнем, який звільнився від пут та змушений практично проти волі не лише дивитися на вогнище, а й іти повз нього до денного світла. Спершу бідолаха страждатиме, оскільки від сяяння вогнища та сонячного світла поза печерою в нього болітимуть очі. Об’єкти виявляться зовсім незнайомими; вони не нагадуватимуть свої тіні. Платон стверджує, що тільки-но звільнений може все одно вважати саме звичні йому тіні більш істинними уявленнями, аніж самі об’єкти, що відкидають ці тіні.

Якщо індивіда попри його опір витягти на сонце, зрештою всі ці відчуття збентеження та болю посиляться в рази. Проте врешті-решт він призвичаїться до реального світу, побачить зорі, Місяць та небо, і його душа й розум звільняться від ілюзій, які до того правили його життям.

Далі, як стверджує Платон, якщо ця людина повернеться до печери, стануться дві речі. По-перше, оскільки її очі вже відвикнуть від темряви, її здатність розрізняти тіні та розпізнавати їх знизиться, і товариші вважатимуть її в найкращому випадку інвалідом, а в найгіршому – дурником. По-друге, вона більше не вважатиме вартими своєї поваги вузькі й короткозорі пріоритети колишнього свого суспільства чи шану, яку віддають тим, хто краще за всіх розпізнає тіні та передбачає їхнє майбутнє. Як поетично сформулював це Платон, цитуючи Гомера: «“Краще уже батраком я на ниві чужій працював би, / У бідняка, що й самому прожитку не досить”, тобто радше згодився б терпіти будь-які незгоди, тільки б не повертатися до попередніх поглядів і не жити знову попереднім життям, як ті в’язні…»[3]

Можна лише поспівчувати тим, хто все життя проживає в полоні ілюзій, а до таких, як натякає Платон, належить більшість людства.

Отже, алегорія стверджує, що подорож угору, до світла, є сходженням душі в інтелектуальний світ.

Очевидно, що для Платона лише усамітнення в суто «інтелектуальному світі», лише подорож, доступна кільком обраним, – себто філософам, – здатна замінити ілюзію реальністю. На щастя, сьогодні завдяки методикам науки, що поєднують роздуми та рефлексію з емпіричним дослідженням, ця подорож значно доступніша. Проте й сьогодні перед науковцями стоїть те саме завдання: побачити те, що ховається за тінями; те, що не зникає, коли відкидаєш упередження.

Хоча Платон не згадує це явно, але зрозуміло, що інші в’язні ставитимуться до бідолахи, який вийшов назовні та повернувся, як до каліки; вони, імовірно, також вважатимуть його божевільним, якщо він розповість їм про побачені чудеса: Сонце, Місяць, озера, дерева, інших людей і їхні цивілізації.

Ця ідея разюче сучасна. У міру того, як кордони науки відходять усе далі й далі від світу звичних речей та світу здорового глузду, сформованого на основі наших безпосередніх переживань, наша картина реальності в основі наших чуттів стає дедалі складнішою для розуміння та сприйняття. Декому виявляється комфортніше звертатися по допомогу до міфів та забобонів.

Проте є всі підстави вважати, що «здоровий глузд», який від початку еволюціонував, аби допомогти нам упоратися з хижаками в африканських саванах, під час спроби розмірковувати про природу в зовсім інших масштабах може зіграти з нами злий жарт. У ході еволюції ми не навчилися інтуїтивно сприймати світ дуже малих, дуже великих чи душе швидких речей. Не слід очікувати від правил, на які ми звикли покладатись у щоденному житті, універсальності. Хоча з погляду еволюції така короткозорість була корисною, ми, як істоти мислячі, здатні вийти за її межі.

У зв’язку з цим не можу не процитувати ще одну настанову з алегорії Платона: «…Вершиною світу думки є ідея добра – розрізнити її дуже важко, але якщо комусь це вдається, той неодмінно дійде висновку, що саме вона причина всього, що слушне й прекрасне. І саме від неї у світі видимому походять світло і його володар, а у світі уявному вона сама – володарка, народжує правду і розум».[4]

Далі Платон стверджує, що саме цього мають прагнути ті, хто діятиме раціонально, як у громадському, так і в приватному житті – шукати «добро», зосередившись на розумі та правді. Він висловлює думку, що зробити це можна лише шляхом дослідження реальностей, які лежать в основі світу наших безпосередніх чуттів, а не шляхом дослідження ілюзій реальності, існування яких нам би хотілося. Раціональні – або добрі – вчинки можливі суто за рахунок раціонального дослідження того, що є реальним, а не самої лише віри.

На сьогодні на зміну платонівському баченню «чистої думки» прийшов науковий метод, який, ґрунтуючись одночасно на розумі та експерименті, дає змогу відкривати приховані реальності нашого світу. Сьогодні раціональна діяльність у громадському та приватному житті вимагає опертя одночасно на розум та емпіричне дослідження й часто потребує відходу від соліпсичного світу наших безпосередніх чуттів. Цей принцип є основним джерелом моєї власної громадської діяльності всупереч урядовій політиці, яка ґрунтується на ідеології, а не на доказах, і, можливо, саме тому я так негативно ставлюся до концепції «святинь», оскільки з неї випливає існування якихось ідей чи настанов, що не підлягають публічному дізнанню, дослідженню, обговоренню, а подеколи й кепкуванню.

Важко сформулювати цей погляд переконливіше, ніж я зробив це в статті для «New Yorker»: «Щоразу, коли наукові твердження подаються як беззаперечні, це підриває устої науки. Аналогічно, коли в нашому суспільстві сходять із рук релігійні вчинки чи твердження стосовно святості, підриваються устої сучасного світського суспільства. Заради самих себе та наших дітей ми не повинні терпіти уряди, – тоталітарні, теократичні чи демократичні, – які затверджують, заохочують, нав’язують чи ще якимось чином узаконюють пригнічення відкритого дізнання задля захисту ідей, які вважаються “святими”. П’ять сотень років розвитку науки звільнили людство з кайданів нав’язаного неуцтва».

Якщо облишити філософські рефлексії, головна причина, чому я знайомлю читачів із печерою Платона, полягає в тому, що вона може слугувати конкретним прикладом природи наукових відкриттів, котрі лежать в основі оповіді, яку я хочу розповісти.

Уявіть, що наші в’язні побачили на стіні отаку тінь, яку показав їм злий ляльковод, що сидить на уступі перед вогнищем:

Ця тінь зображає одночасно довжину та напрямок – дві концепції, які ми, не обмежені печерою, приймаємо як належне.

Проте далі на очах в’язнів тінь змінюється:

Далі вона виглядає так:

А потім отак:

А ще через якийсь час отак:

Який висновок із цього можуть зробити в’язні? Можливо, що концепції на кшталт довжини чи напрямку не мають абсолютного значення. У їхньому світі об’єкти здатні довільним чином змінювати і довжину, і напрямок. У реальності їхнього безпосереднього досвіду ані довжина, ані напрямок, судячи з усього, не є значимими.

Що виявить натурфілософ, який утік на поверхню для дослідження багатшого світу за межами тіней? Він побачить, що тінь є всього-на-всього тінню: двовимірним зображенням на стіні, яке відкидає розташований за спинами в’язнів реальний тривимірний об’єкт. Він побачить, що цей об’єкт має фіксовану довжину, яка ніколи не змінюється, і що до неї додається стрілка, яка завжди лишається на одному й тому ж кінці об’єкта. З вигідної позиції дещо над об’єктом він бачить, що ця послідовність зображень є результатом проектування на стіну флюгера, який обертається:

Повернувшись до колишніх колег, філософ-науковець може пояснити, що абсолютна величина, яка має назву «довжина», не змінюється з часом і що певним об’єктам можна однозначно задати напрямок. Він розповість товаришам, що реальний світ тривимірний, і тільки-но вони це збагнуть, їхнє збентеження щодо на перший погляд довільних змін щезне.

Чи повірять вони йому? Переконати їх буде дуже важко, оскільки вони не матимуть інтуїтивного розуміння, що таке обертання (врешті-решт, якщо мати на озброєнні інтуїцію, засновану винятково на двовимірному досвіді, буде складно подумки «зобразити» будь-які обертання в третьому вимірі). Погляди-запитання? Імовірно. Психлікарня? Можливо. Проте він може здобути прихильність товариства, зробивши наголос на пов’язаних із його твердженням привабливих характеристиках: можна показати, що поведінка, яка на перший погляд здається складною та довільною, є результатом значно простішої картини природи, що лежить у її основі, а несумірні на перший погляд явища насправді пов’язані між собою й можуть бути частиною єдиного цілого.

Ба навіть краще, він може робити передбачення, які його товариші можуть перевірити. По-перше, він може стверджувати, що, якщо видима зміна довжини тіні, виміряної групою, дійсно спричинена обертанням у третьому вимірі, то щоразу, коли довжина об’єкта на мить зникне, вона одразу ж виникне знову, при цьому стрілка показуватиме в протилежному напрямку. По-друге, він може стверджувати, що в ході коливань довжини максимальна довжина тіні, коли стрілка вказує в одному напрямку, завжди буде точно така сама, як максимальна довжина тіні, коли стрілка вказує в протилежному напрямку.

Таким чином, печера Платона стає алегорією значно більшого, ніж він сам, можливо, розраховував. Платонівська звільнена людина відкриває характерні ознаки видатної реальної історії нашої власної боротьби за розуміння природи в її найфундаментальніших масштабах простору, часу й матерії. Нам теж було потрібно звільнитися від кайданів попереднього досвіду, аби виявити ґрунтовні та чудові спрощення й передбачення, які можуть буди настільки ж страхітливими, наскільки й прекрасними.

Але, як і світло поза межами печери Платона, те, від чого спершу болять очі, з плином часу починає заворожувати. І щойно ви це побачили, вороття немає.

Розділ 2

Бачити в темряві

І сказав Бог: Хай станеться світло! І сталося світло.

Буття 1:3

На початку було світло.

Нема нічого дивного в тому, що давні автори Книги Буття уявляли, що першого дня було створено світло. Без світла ми майже нічого не знали б про неосяжний усесвіт, який нас оточує. Коли ми киваємо та говоримо «зрозуміло» нашому приятелеві, який намагається щось пояснити, ми висловлюємо аж ніяк не просто якесь спостереження, а фундаментальне розуміння.

Відповідно, у центрі алегорії Платона також лежить світло: світло від вогнища, яке кидає тіні на стіну печери, та світло зовні, яке спершу тимчасово засліплює звільненого в’язня, а тоді освітлює йому реальний світ. Подібно до в’язнів печери, усі ми також є бранцями світла: майже все, що знаємо про світ, ми дізнаємося з того, що бачимо.

Тоді як слова «Хай станеться світло!» можна вважати найбільш значущими для західного релігійного канону, у сучасному світі ця фраза дістала абсолютно відмінне від минулого значення. Так, людські істоти є бранцями світла, проте це справедливо й для всесвіту. Те, що раніше здавалося примхою юдейсько-християнського Бога чи інших попередніх богів, наразі ми розуміємо як вимогу тих самих законів, завдяки яким існують небеса та, що найважливіше, Земля. Без одного не може бути другого. За світлом іде Земля, себто матерія.

Ця зміна сприйняття лежить в основі практично всіх удосконалень у системі поглядів, яку ми звемо сучасною наукою. Я пишу ці рядки, дивлячись із борту корабля на один із Галапагоських островів, який прославив Чарлз Дарвін і який прославив його у відповідь, бо він змінив наше сприйняття життя і його розмаїття завдяки єдиному геніальному осяянню, що всі живі види розвинулися шляхом природного добору маленьких успадкованих варіацій, які особини, що вижили, передають наступним поколінням. Так само, як розуміння еволюції, поза всяким сумнівом, змінило все в нашому розумінні біології, зміна нашого розуміння світла змінила все в нашому фізичному розумінні нашого місця у всесвіті. І, як корисний побічний ефект, привела до виникнення практично всіх технологій, на яких ґрунтується сучасний світ.

Упродовж іще більш ніж двох тисячоліть після Платона масштаби того, наскільки наші спостереження світу ув’язнюють наш розум та обрамовують наші описи тканини всесвіту, залишалися неосягнутими. Коли ж серйозні мислителі почали детально вивчати приховану природу всесвіту, їм знадобилося понад чотири століття, аби остаточно відповісти на запитання «Що таке світло?».

Можливо, найсерйознішим, хоча точно не найпершим сучасним мислителем, який поставив це запитання, був один із найвідоміших (і найдивакуватіших) науковців в історії – Ісаак Ньютон. Підстави зараховувати його до сучасних учених є: зрештою саме його опублікована в XVII столітті праця «Математичні начала натуральної філософії» відкрила класичні закони руху та заклала засади його теорії всесвітнього тяжіння, на яких великою мірою ґрунтується сучасна фізика. Утім, Джон Мейнард Кейнс зазначає: «Ньютон не був першим представником епохи Просвітництва; він був останнім із чарівників, останнім із вавилонян та шумерів, останнім видатним мислителем, який дивився на видимий та інтелектуальний світ тими ж очима, що й ті, хто починав будувати наш інтелектуальний спадок трохи менше 10 тисяч років тому».

Істинність цього твердження відображає революційну важливість праці Ньютона. Після виходу «Начал» жодна розумна людина вже не могла розглядати світ так, як його розглядали древні. Окрім того, воно відображає характер самого Ньютона, який присвятив значно більше часу й чорнила працям на тему окультизму, алхімії та пошуку прихованих значень і кодів у Біблії, зосередившись, зокрема, на Об’явленні й таємницях, пов’язаних із давнім Храмом Соломона, аніж працям із фізики.

Також Ньютон був одним із довгої низки людей, що жили як до, так і після нього, які почувалися обраними Богом задля того, щоб допомогти розкрити справжнє значення Священного Писання. Важко сказати, якою мірою його дослідження всесвіту були наслідком його захоплення Біблією, проте є обґрунтовані підстави вважати, що в першу чергу його цікавила теологія, а натурфілософія йшла далеко позаду, імовірно, навіть після алхімії.

Багато хто вказує на благоговіння Ньютона перед Богом як на доказ сумісності науки й релігії та підтвердження тези, що сучасна наука зобов’язана своїм існуванням християнству. Такі люди плутають історію з причинно-наслідковим зв’язком. Те, що багато хто з ранніх велетнів сучасної західної натурфілософії, від Ньютона й далі, були глибоко релігійними людьми, є беззаперечним, хоча той самий Дарвін в останні роки життя якщо не повністю, то значною мірою втратив релігійну віру. Але слід пам’ятати, що впродовж більшої частини цього періоду було лише два основні джерела освіти й багатства: церква та корона. У XV, XVI та XVII століттях саме церква була національним науковим фондом. Усі заклади вищої освіти були пов’язані з тією чи іншою конфесією, і жодна освічена людина навіть помислити не могла про те, щоб не бути афілійованою з церквою. І, як виявив Джордано Бруно, а пізніше – Галілей, суперечити її доктрині було в найкращому випадку неприємно. Було б дуже дивно, якби хтось із цих провідних ранніх наукових мислителів не був релігійною людиною.

Нині про релігійність піонерів науки також згадують софісти, які стверджують, що наука та релігійна доктрина сумісні, проте плутають науку з науковцями. Попри численні приводи вважати інакше, науковці – люди. І, як усі люди, вони здатні одночасно тримати в голові багато потенційно взаємовиключних понять. Будь-яка кореляція між розбіжними поглядами однієї людини свідчить лише про одне: людям властиво помилятися.

Твердження, що деякі науковці були або є віруючими, подібне до тверджень, що деякі науковці є республіканцями, чи що дехто вважає Землю пласкою, чи що деякі є креаціоністами. З цього не випливає ані причинно-наслідкового зв’язку, ані послідовності. Мій друг Річард Докінз розповідав мені про професора астрофізики, який удень пише статті для астрономічних журналів, у яких виходить із того, що вік усесвіту перевищує 13 мільярдів років, а тоді йде додому та в приватній обстановці обстоює буквальне біблійне твердження про те, що всесвіту шість тисяч років.

Таким чином, інтелектуальна послідовність (чи її відсутність) у науках є комбінацією раціональних аргументів із подальшими доказами та постійним випробуванням. Є всі підстави твердити, що в західному світі релігія є матір’ю науки. Проте, як знають усі батьки, діти рідко виростають моделями-копіями батьків.

Цілком можливо, що Ньютон за традицією зацікавився світлом тому, що то був Божий дар. Але ми пам’ятаємо його працю не через його мотивацію, а через його відкриття.

Ньютон був переконаний, що світло складається з частинок, які називав корпускулами, тоді як Декарт, а пізніше Ньютонів пострах Роберт Гук, а ще пізніше голландський науковець Християн Гюйгенс одноголосно стверджували, що світло – хвиля. Одним із ключових спостережень на користь хвильової теорії було те, що біле світло, скажімо, світло Сонця, проходячи через призму, розкладається на всі кольори веселки.

Як це часто бувало за життя Ньютона, він вважав, що має рацію, а кілька його найвідоміших сучасників (і суперників) помиляються. Щоби продемонструвати це, він розробив хитромудрий експеримент із призмами, який вперше здійснив удома у Вулсторпі, де переховувався від бубонної чуми, що спустошувала Кембридж. 1672 року на зборах Королівського наукового товариства він доповів, що із сорок четвертої спроби дістав саме той результат, якого й сподівався.

Прибічники хвильової теорії стверджували, що світлові хвилі складаються з білого світла й що в результаті проходження крізь призму світло розкладається на кольори через «спотворення» променів після проходження крізь скло. Себто чим більше скла, тим сильніше розкладання.

Ньютон дійшов висновку, що все було не так і що насправді світло складається з кольорових частинок, які, об’єднуючись, здаються білими (віддаючи належне своєму захопленню окультизмом, Ньютон поділив кольорові частинки спектра – саме він запровадив цей термін – на сім типів: червоні, оранжеві, жовті, зелені, блакитні, сині та фіолетові; ще з часів давніх греків вважали, що число «сім» має містичні властивості). Аби показати, що хвилетвірна гіпотеза не відповідає дійсності, Ньютон пропустив промінь білого світла крізь дві протилежно орієнтовані призми. Перша призма розклала світло на спектр, а друга склала його назад докупи в єдиний промінь білого світла. Якби скло спотворювало світло, це було б неможливо. Друга призма лише погіршила б ситуацію й нізащо не змусила б світло повернутися в початковий стан.

Зрештою цей результат не спростовує хвильової теорії світла (насправді він її, навпаки, підтверджує, оскільки на вході в призму світло заломлюється й сповільнюється, точно як хвилі). Але оскільки прибічники цієї теорії (помилково) стверджували, що спектральне розкладання спричинене спотворенням, демонстрація Ньютона, що це не так, завдала їй сильного удару й підтвердила правильність його корпускулярної моделі.

Після цього Ньютон відкрив багато інших властивостей світла, якими ми послуговуємося нині для розуміння його хвильової природи. Ньютон показав, що в результаті проходження крізь скляну призму світло кожного з кольорів заломлюється під своїм унікальним кутом. Він також показав, що всі предмети набувають того ж кольору, що й промінь, який їх освітлює. І що кольорове світло не змінює кольору, скільки б разів воно не відбивалося чи не проходило крізь призму.

Усі ці результати, зокрема й початковий, можна легко пояснити, якщо біле світло насправді складається з набору різних кольорів, тут Ньютон мав рацію. Але їх не можна пояснити, якщо світло складається з різнокольорових частинок. Натомість біле світло складається з великої кількості хвиль різної довжини.

Утім, навіть попри все більшу популярність Ньютона та смерть його головного опонента Гука, опоненти Ісаака не збиралися складати зброю. Вони не здалися навіть після обрання Ньютона президентом Королівського наукового товариства 1703 року, ще за рік до того, як він опублікував результати своїх досліджень світла в епічній праці «Оптика». Натомість дебати про природу світла точилися ще понад століття.

Частиною проблеми з хвильовою картиною світла було запитання «Хвилею чого саме є світло?». І якщо воно дійсно є хвилею й оскільки всім відомим хвилям потрібне якесь середовище, то в якому середовищі воно поширюється? Ці запитання настільки бентежили прибічників хвильової теорії, що їм довелося навіть воскресити нову невидиму субстанцію, що пронизує весь простір, – ефір.

Розгадка цієї головоломки, як це часто буває, надійшла з абсолютно несподіваного куточка фізичного світу, сповненого іскрами та колесами, що обертаються.

Коли я став молодим професором в Єлі й мені виділили давній, проте велетенський кабінет, який мені пощастило зайняти після виходу на пенсію не менш давнього колеги, на стіні мене очікувала копія фотографії Майкла Фарадея, знятої 1861 року. Я зберігаю її досі.

Я не вірю в поклоніння героям, але якби вірив, Фарадей був би там, у пантеоні, серед найкращих. Не виключено, що з-поміж інших науковців дев’ятнадцятого століття саме він найбільшою мірою є автором технології, яка живить нашу сучасну цивілізацію. При цьому він мав дуже скромну формальну освіту й у віці 14 років став учнем палітурника. Пізніше у своїй кар’єрі, досягши світового визнання за наукові здобутки, він наполегливо тримався свого скромного походження, відмовившись від лицарства та двічі відхиливши пропозицію стати президентом Королівського наукового товариства. Пізніше він, посилаючись на етичні міркування, відмовився консультувати британський уряд на предмет виробництва хімічної зброї для застосування в Кримській війні. І впродовж більш ніж тридцяти років читав низку різдвяних лекцій у Королівському інституті, аби викликати в молоді захоплення наукою. Як можна його не любити?

Проте як би ми не захоплювалися людиною, для нашої оповіді має значення науковець. Своїх студентів я завжди навчаю першого наукового уроку Фарадея: плазуйте перед своїми професорами. У віці 20 років, відпрацювавши сім років учнем палітурника, Фарадей відвідав низку лекцій славетного фізика Гемфрі Деві, тодішнього голови Королівського інституту. Після цього Фарадей подарував Деві 300-сторінкову майстерно переплетену книгу своїх конспектів його лекцій. Упродовж року Фарадея було призначено секретарем Деві, а вже невдовзі він дістав посаду хіміка-асистента в Королівському інституті. Пізніше Фарадей вивчив цей самий урок, але з протилежним знаком. У захваті від деяких перших і вельми важливих проведених експериментів Фарадей в опублікованій праці випадково забув віддати належне спільній роботі з Деві. Імовірно, саме через цю випадкову образу Деві доручив йому займатися іншими справами, тим самим відстрочивши на кілька років його дослідження, які змінили світ.

Перед переведенням Фарадей працював над «гарячою» ділянкою наукових досліджень – щойно відкритими зв’язками між електрикою та магнетизмом, відштовхуючись при цьому від праць данського фізика Ганса Крістіана Ерстеда. Ці дві сили здаються зовсім різними, проте водночас на диво подібні. Електричні розряди можуть притягуватися або відштовхуватися. Магніти можуть те саме. Проте в магнітів, схоже, завжди є два полюси, північ і південь, які не можна відокремити, тоді як електричні розряди можуть бути позитивними чи негативними в індивідуальному порядку.

Якийсь час науковці та натурфілософи розмірковували, чи немає між цими двома силами якихось прихованих зв’язків, і першу емпіричну підказку випадково отримав саме Ерстед. 1820 року, під час лекції, Ерстед помітив, що увімкнення електричного струму від батареї змушувало відхилятися стрілку компаса. Кілька місяців по тому він розвинув це спостереження й відкрив, що потік рухомих електричних зарядів, який ми сьогодні зазвичай називаємо електричним струмом, породжував магнітне тяжіння, яке змушувало піднесені до провідника компасні стрілки крутитися колом.

Ерстед проторував нову стежку. Новина швидко поширилася серед науковців як на континенті, так і на іншому березі Ла-Маншу. Рухомі електричні заряди породжували магнітну силу. Чи є ще якісь зв’язки? Чи можуть магніти, своєю чергою, впливати на електричні заряди?

Науковці шукали, як це зробити, проте безуспішно. Деві з іншим колегою намагалися збудувати на основі виявленого Ерстедом зв’язку електричний двигун, проте зазнали невдачі. Зрештою Фарадею вдалося змусити дріт із пропущеним крізь нього струмом рухатися навколо магніту, що можна було вважати чимось на кшталт двигуна. Саме в доповіді про це захопливе досягнення він забув згадати ім’я Деві.

Почасти це була просто забавка. Ніякого фундаментального феномену при цьому відкрито не було. Імовірно, саме це стало основою однієї з моїх улюблених (скоріш за все, вигаданих) історій про Фарадея. Кажуть, що 1850 року Вільям Ґледстоун, майбутній прем’єр-міністр Великобританії, почув про лабораторію Фарадея, повну химерних пристроїв, і запитав, яку практичну цінність мають усі ці дослідження електрики. Фарадей начебто відповів: «О, сер, вельми ймовірно, що незабаром ви зможете обкласти її податком».

Вигадка чи ні, але ця дотепна відповідь містить як велику іронію, так і велику істину. Дослідження, спричинені цікавістю, можуть видатися далеким від нагальних суспільних потреб сибаритством. Проте, по суті, весь рівень нашого сучасного життя людей першого світу постав зі здобутків таких досліджень, зокрема й електроенергія, яка живить майже всі пристрої довкола нас.

1831-го, через два роки після смерті Деві та через шість після того, як Фарадей став директором лабораторії в Королівському інституті, він зробив відкриття, яке закріпило за вченим репутацію, можливо, найвидатнішого фізика-експериментатора ХІХ століття – відкриття магнітної індукції. Ще з 1824 року Фарадей намагався з’ясувати, чи може магнітне поле змінити напрямок струму в дроті поряд або подіяти на заряджені частинки ще якоюсь електричною силою. Насамперед він хотів перевірити, чи здатне магнітне поле викликати електричний струм, аналогічно до Ерстеда, який показав, що електричне поле, зокрема електричний струм, здатне породжувати магнетизм.

28 жовтня 1831 року Фарадей заніс до лабораторного записника визначне спостереження. Замкнувши перемикач, щоб увімкнути струм у дроті, оберненому навколо залізного кільця для його намагнічування, він помітив, що струм на мить виник в іншому дроті, оберненому навколо цього ж кільця. Зрозуміло, сама лише наявність близького магніту не могла спричинити протікання струму в дроті – а от вмикання чи вимикання магніту могло. Надалі Фарадей показав, що такий самий ефект спостерігався, коли він підсував магніт до дроту. У міру наближення чи віддалення магніту дротом починав текти струм. Точно як рухомий заряд створював магніт, так якимось чином рухомий магніт – чи магніт змінної потужності – створював у близькому дроті електричну силу й породжував струм.

Якщо вам не очевидне ґрунтовне теоретичне значення цього простого та несподіваного результату, не соромтеся, адже це значення вельми хитромудре, і його розкриття підкорилося лише розуму найвидатнішого фізика-теоретика ХІХ століття.

Для того, щоб оформити його належним чином, потрібна концепція, яку ввів усе той же Фарадей. Фарадей мав скромну формальну освіту й був значною мірою самоучкою, тож ніколи не був на короткій нозі з математикою. Інша, скоріш за все, вигадана історія розповідає, що Фарадей хизувався тим, що у своїх публікаціях використав математичне рівняння лише раз. Ясна річ, він ніколи не описував важливе відкриття магнітної індукції в математичних термінах.

Через незлагоди з формальною математикою Фарадей був вимушений мислити рисунками, аби досягти інтуїтивного розуміння фізики, що лежала в основі його спостережень. У результаті він винайшов ідею, що є наріжним каменем усієї сучасної фізичної теорії та розв’язала головоломку, над якою до кінця своїх днів бився Ньютон.

Фарадей спитав себе: «Як один електричний заряд знає, як реагувати на присутність іншого, віддаленого електричного заряду?» Таке саме запитання раніше поставив Ньютон у термінах тяжіння, коли розмірковував, як Земля знає, що треба саме так реагувати на гравітаційне тяжіння Сонця. Як сила тяжіння передається від одного тіла до іншого? На це запитання він дав свою знамениту відповідь: «Hypotheses non fingo» («Я не вигадую гіпотез»), стверджуючи, що вивів закон всесвітнього тяжіння та показав, що його передбачення відповідають спостереженням, і що цього достатньо. Надалі багато хто з нас, фізиків, використовував цей прийом захисту, коли його просили пояснити всілякі дивні фізичні результати, особливо у квантовій механіці, де математика працює, а от фізична картина часто виглядає божевільною.

Фарадей уявив, що кожен електричний розряд оточений електричним «полем», яке він міг подумки зобразити. Він уявляв це поле як купу прямих ліній, які променеподібно виходять із заряду. На ці силові лінії були нанесені стрілки, які вказували назовні у випадку позитивного заряду та всередину у випадку негативного.

Далі він уявив, що в міру збільшення величини заряду збільшується й кількість силових ліній:

Користь цієї уявної картини полягала в тому, що тепер Фарадей мав змогу інтуїтивно зрозуміти, що станеться, якщо поруч із першим зарядом помістити ще один тестовий заряд, і чому це станеться (уживаючи неформальне «чому», я маю на увазі «яким чином»). Де б цей другий тестовий заряд не був, він відчуватиме «поле» першого заряду, при цьому величина електричної сили буде пропорційна кількості силових ліній на цій ділянці, а її напрямок відповідатиме напрямку силових ліній. Таким чином, наприклад, вищеназваний тестовий заряд відштовхуватиметься у вказаному напрямку:

Проте рисунки Фарадея здатні не тільки на це. Уявіть, що ми помістили два заряди поруч один з одним. Оскільки силові лінії виходять із позитивного заряду та входять у негативний заряд і ніколи не перетинаються, майже очевидно, що силові лінії посередині між двома позитивними зарядами мають відкидати одна одну й відштовхуватися, тоді як посередині між позитивним та негативним зарядом вони мають з’єднуватися:

Знов-таки, якщо будь-де поблизу цих двох зарядів помістити тестовий заряд, він відчує на собі силу, спрямовану в напрямку силових ліній, і її величина буде пропорційна кількості силових ліній на цій ділянці.

Отже, Фарадей змалював природу електричних сил між частинками таким чином, який не потребував розв’язання алгебраїчних рівнянь, що описують електричні сили. І найдивніше в цих рисунках те, що вони відображають математику строго як вона є, а не лише приблизно.

Аналогічні графічні прийоми можна застосувати до магнітів і магнітних полів, відтворивши закон магнітної сили, що виникає між магнітами, який експериментально підтвердив Кулон, чи дротами під напругою, який вивів Андре-Марі Ампер (до Фарадея всю важку роботу з відкриття законів електрики та магнетизму виконували французи).

За допомогою цих уявних милиць можна перевиразити Фарадеєве відкриття магнітної індукції так: збільшення чи зменшення кількості магнітних силових ліній, що перетинають закільцьований провідник, спричинить протікання цим провідником струму.

Фарадей швидко усвідомив, що його відкриття дасть змогу перетворювати механічну енергію на електричну. Якщо приєднати закільцьований провідник до лопаті, яка має обертатися, скажімо, потоком води, як водяне колесо, і оточити всю цю штуку магнітом, то в процесі обертання лопаті кількість силових ліній, що проходять крізь дріт, постійно змінюватиметься, і в дроті постійно генеруватиметься струм. І ось вам, будь ласка, Ніагарський водоспад, гідроенергетика й сучасний світ!

Цього вже було б цілком досить, щоб закріпити за Фарадеєм репутацію найвидатнішого фізика-експериментатора ХІХ століття. Але в моїх очах Фарадей посідає настільки високе місце тому, що керувався не технологією; найбільше я шаную його глибоке відчуття цікавості та прагнення якнайширше поділитися своїми відкриттями. Я переконаний: він би погодився, що головна вигода від науки полягає в її впливі у вигляді зміни фундаментального розуміння нашого місця в космосі. І врешті-решт саме це він і зробив.

Тут я просто не міг не згадати ще одного більш сучасного видатного фізика-експериментатора Роберта Р. Вільсона, який у віці 29 років очолював науково-дослідний відділ у Лос-Аламосі, де в рамках Мангеттенського проекту розробляли атомну бомбу. Багато років по тому він став першим директором Національної прискорювальної лабораторії імені Енріко Фермі (скорочено Фермілаб) у Батавії, штат Іллінойс. Під час будівництва Фермілабу 1969 року Вільсона викликали на слухання в Конгресі для обґрунтування витрати значних коштів на цей екзотичний новий прискорювач, що його мали застосовувати для вивчення фундаментальних взаємодій елементарних частинок. Коли його запитали, чи сприяє це підвищенню національної безпеки (що легко б виправдало витрати в очах членів комітету Конгресу), він хоробро відповів, що ні. Натомість він сказав: «Це стосується лише поваги, з якою ми ставимося один до одного, людської гідності, нашої любові до культури… Це стосується того, чи гарні ми художники, гарні скульптори, видатні поети? Я маю на увазі все те, що ми дійсно поважаємо й шануємо в нашій країні, що викликає в нас патріотизм. У цьому сенсі це нове знання напряму стосується слави та країни, але воно ніяк безпосередньо не стосується захисту нашої країни, хіба що сприяє тому, що вона є гідною захисту».

Відкриття Фарадея дали нам змогу живити й творити нашу цивілізацію, освітити наші міста й вулиці та користуватися нашими електричними пристроями. Важко уявити собі відкриття, глибше вкорінене в житті сучасного суспільство. Проте якщо поглянути глибше, настільки видатним його внесок у нашу оповідь робить те, що він відкрив відсутній шматочок головоломки, який змінив наше сучасне сприйняття практично всього у фізичному світі, починаючи від самого світла. Якщо Ньютон був останнім із чарівників, то Фарадей був останнім із сучасних науковців, які стосовно світла жили в темряві. Після його праці ключ до розкриття істинної природи нашого головного вікна у світ лежав на видноті, чекаючи, доки його знайде потрібна людина.

* * *

Не минуло й десяти років, як молодий шотландський сіромашний фізик-теоретик зробив наступний крок.

Розділ 3

Ніби в дзеркалі, у світлі

Ніщо не є занадто чудовим, щоб бути правдою, якщо воно відповідає законам природи; а в таких випадках, як цей, найкращим випробуванням такої відповідності є експеримент.

Фарадей,

запис у лабораторному журналі № 10040,

18 березня 1849 р.

Найвидатніший фізик-теоретик ХІХ століття Джеймс Клерк Максвелл, чий вплив на фізику Ейнштейн пізніше порівнював із впливом Ньютона, за збігом обставин народився того ж року, коли Майкл Фарадей зробив своє видатне експериментальне відкриття індукції.

Як і в Ньютона, наукова кар’єра Максвелла розпочалася із захоплення кольором і світлом. Ньютон вивчав спектр видимих кольорів, на які розкладається біле світло при проходженні призми, а от Максвелл, іще будучи студентом, досліджував обернене питання: якою є мінімальна комбінація первинних кольорів, що її буде достатньо для відтворення людському оку всіх видимих кольорів, які містяться в білому світлі? За допомогою набору кольорових обертальних дзиґ він продемонстрував, що практично всі кольори, які ми сприймаємо, можна отримати із сумішей червоного, зеленого та синього – факт, знайомий кожному, хто встромляв у кольоровий телевізор RGB-кабелі. Максвелл використав це для виготовлення першого у світі кольорового фотознімка. Пізніше він захопився поляризованим світлом, одержаним зі світлових хвиль, чиї електричне й магнітне поля коливаються лише в певних напрямках. Він затискав між здатними поляризувати призмами блок желатину та пропускав крізь них світло. Якщо призми пропускали лише світло, поляризоване в різних перпендикулярних напрямках, то з розміщенням їх одна за одною крізь них не проходило ніяке світло. Проте якщо в желатині були наявні деформації, то в результаті проходження крізь нього світла його вісь поляризації могла обертатися, тож певна кількість світла могла пройти й крізь другу призму. Вишукуючи такі інтерференційні смуги світла, що проходило крізь другу призму, Максвелл мав змогу виявляти наявність деформацій у желатині. Сьогодні це стало корисним інструментом виявлення можливих деформацій матеріалу в складних спорудах.

Проте навіть ці хитромудрі експерименти не є адекватним відображенням могутності ненаситного інтелекту Максвелла та його математичних здібностей, які проявилися в напрочуд юному віці. На превеликий жаль, Максвелл помер у віці лише сорока восьми років і мав занадто мало часу для завершення всіх своїх починань. Його допитлива натура відображена в пасажі, який його мати дописала до листа його батька своячці, коли Максвеллу було лише три роки: «Він дуже щаслива людина, і відколи розпогодилося, почувається набагато краще; він чудово вправляється з дверима, замками, ключами тощо, і ми постійно чуємо від нього “покажи, як це робе”. Він також вистежує приховані русла струмків та дзвінкових дротів і те, як вода просочується крізь стінку басейну».

Після передчасної смерті матері (від раку шлунка, жертвою якого пізніше в цьому ж віці стане сам Максвелл) освіта хлопчика перервалася, проте у віці тринадцяти років він увійшов у колію в престижній Единбурзькій академії, де здобув відзнаку з математики, а також з англійської мови та поезії. Після цього, коли йому було лише 14, він опублікував свою першу наукову статтю на тему властивостей математичних кривих, яку було представлено в Королівському товаристві Единбурга.

Після такого не за віком стрімкого старту Максвелл розквіт в університеті. Він закінчив Кембридж, упродовж року після випуску (значно раніше середнього для більшості випускників) ставши членом коледжу. Уже незабаром він пішов звідти й повернувся до рідної Шотландії, діставши посаду на кафедрі натурфілософії Абердинського університету.

У віці лише 25 років він був головою відділу й викладав п’ятнадцять годин на тиждень, плюс читав додаткову безкоштовну лекцію в сусідньому коледжі для робочого люду (для нинішнього штатного професора це було б нечувано, і навіть мені самому важко уявити, як би я це все робив і мав наснагу ще й на дослідження). Утім, попри все, це Максвелл знайшов час для розв’язання задачі, якій тоді виповнилося вже двісті років: «Як кільцям Сатурна вдається лишатися стійкими?» Він дійшов висновку, що кільця мають складатися з маленьких частинок, що зробило його лауреатом престижної премії, установленої для заохочення пошуку відповіді на це запитання. Його теорія підтвердилася більш ніж сто років по тому, коли космічний апарат «Вояджер» передав на Землю перші знімки цієї планети крупним планом.

Можна було б вирішити, що після такого видатного здобутку посада професора гарантована Максвеллу пожиттєво. Проте 1860-го, того ж року, коли Лондонське королівське товариство присудило Максвеллу престижну медаль Румфорда за праці, присвячені кольору, коледж, де він читав лекції, об’єднали з іншим коледжем, залишивши тільки одну посаду професора натурфілософії. Унаслідок того, що безсумнівно має увійти в історію як одне з найдурніших академічних рішень усіх часів (а щоб очолити цей список, треба дуже постаратися), Максвеллу безцеремонно вказали на двері. Він спробував обійняти посаду в Единбурзькому університеті, але це місце знов-таки віддали іншому кандидатові. Зрештою він знайшов посаду далеко на півдні, у Королівському коледжі Лондона.

Можна було б очікувати, що всі ці події пригнітять Максвелла чи змусять зневіритися, проте навіть якщо так, це аж ніяк не позначилося на його роботі. Наступні п’ять років у Королівському коледжі були найпліднішим періодом його життя. Саме впродовж цього часу він змінив світ чотири рази.

Першими трьома його внесками були розробка першої світлостійкої кольорової фотографії; розробка теорії поведінки частинок у газах (що сприяло закладенню основ галузі, нині відомої як статистична механіка, істотно важливої для розуміння властивостей матерії та радіації); і, нарешті, розробка «аналізу розмірностей» – інструмента, яким, імовірно, найчастіше користуються сучасні фізики для встановлення глибоких взаємозв’язків між фізичними параметрами. Наприклад, ми з моїм колегою Френком Вільчеком використовували його лише торік для демонстрації фундаментальної властивості гравітації, суттєвої для розуміння створення нашого всесвіту.

Кожного з цих здобутків самого по собі було б достатньо, щоб міцно закріпити за Максвеллом статус одного з найвидатніших фізиків свого часу. Проте його четвертий внесок кінець кінцем змінив абсолютно все, зокрема наші уявлення про простір і час.

Упродовж роботи в Королівському коледжі Максвелл часто навідувався до Королівського інституту, де сконтактувався з Майклом Фарадеєм, який був на сорок років старший, проте досі натхненний. Не виключено, саме ці зустрічі надихнули Максвелла знову зосередитися на захопливих досягненнях у царині електрики й магнетизму – темах, які він почав розробляти п’ятьма роками раніше. Максвелл використав свій значний математичний талант для опису та розуміння феномену, що його досліджував Фарадей. Він почав із того, що поставив гіпотетичні силові лінії Фарадея на твердий математичний фундамент, що дало йому змогу дослідити явище індукції значно глибше. Упродовж дванадцяти років, з 1861 до 1873, Максвелл відшліфовував свою найвидатнішу роботу – повну теорію електрики й магнетизму.

Для цього Максвелл скористався відкриттям Фарадея як ключем для встановлення факту, що зв’язок між електрикою й магнетизмом симетричний. Експерименти Ерстеда та Фарадея просто показували, що потік рухомих зарядів створює магнітне поле й що зміна магнітного поля (унаслідок пересування магніту чи просто увімкнення струму для отримання магніту) породжує електричне поле.

Уперше Максвелл виразив ці результати математично ще 1861 року, проте швидко збагнув, що його рівняння неповні. Магнетизм видавався відмінним від електрики. Магнітне поле створюється рухомими зарядами, проте магнітне поле може створювати електричне поле, навіть не рухаючись, а просто змінюючись. Як виявив Фарадей, увімкнення струму, унаслідок чого в міру наростання його сили створюється змінне магнітне поле, породжує електричну силу, яка викликає протікання струму в іншому, сусідньому дроті.

Максвелл зрозумів, що для створення повної та узгодженої системи рівнянь для електрики й магнетизму треба додати до них іще один член, який позначатиме те, що він називав «струмом зміщення». Міркував він так: рухомі заряди, себто струм, породжують магнітне поле, і рухомі заряди являють собою один зі способів створення змінного електричного поля (оскільки поле кожного заряду в процесі його переміщення змінюється в просторі); отже, можливо, змінне електричне поле, себто таке, яке сильнішає чи слабшає, на ділянці без жодного рухомого заряду може породжувати магнітне поле.

Максвелл уявляв, що якщо до протилежних полюсів батареї приєднати дві паралельні пластини, то в міру витікання струму з батареї вони зарядяться протилежними зарядами. Це спричинить виникнення між пластинами зростаючого електричного поля, яке також викличе появу магнітного поля навколо приєднаних до пластин дротів. Максвелл збагнув, що для повного узгодження його рівнянь зростаюче електричне поле між пластинами також має породжувати магнітне поле в порожньому проміжку між пластинами. І це поле буде таким самим, як і будь-яке інше магнітне поле, породжене справжнім струмом, що тече крізь цей проміжок між пластинами.

Тож Максвелл змінив свої рівняння, додавши ще один член (струм зміщення) заради математичної узгодженості. Цей член поводився, по суті, як уявний струм, що протікав між пластинами й породжував у порожньому проміжку між ними змінне електричне поле, ідентичне за величиною до справжнього змінного електричного поля. Він також був ідентичний магнітному полю, яке породив би справжній струм, якби протікав між пластинами. І це магнітне поле, як щодня демонструють студенти у фізичних лабораторіях по всьому світу, дійсно виникає, якщо провести експеримент із паралельними пластинами.

У фізиці математична узгодженість та здорова фізична інтуїція зазвичай себе виправдовують. Це хитромудре виправлення в рівняннях може здатися дрібницею, проте воно має суттєве фізичне значення. Щойно з розгляду зникають реальні електричні розряди, ви одразу ж дістаєте змогу описувати будь-що стосовно електрики й магнетизму суто в термінах гіпотетичних «полів», які слугували Фарадею винятково як уявні милиці. Таким чином, взаємозв’язок між електрикою та магнетизмом можна сформулювати дуже просто: змінне електричне поле породжує магнітне поле; змінне магнітне поле породжує електричне поле.

Зненацька в рівняннях з’являються поля як реальні правомочні фізичні об’єкти, а не лише як спосіб вираження в кількісній формі сили взаємодії між зарядами. Електрика й магнетизм стали нероздільними. Неможливо говорити про самі лише електричні сили, адже, як я незабаром покажу, електрична сила однієї людини є магнітною силою іншої залежно від умов, у яких перебуває спостерігач, та від того, чи змінюється поле в його системі відліку.

Недарма ми нині описуємо цей феномен терміном електромагнетизм. Після Максвелла електрику й магнетизм більше не розглядали як окремі сили природи. Вони були різними проявами однієї й тієї ж сили.

Максвелл опублікував свою повну систему рівнянь 1865 року, а пізніше, 1873-го, виклав їх у спрощеному вигляді в підручнику. Вони стали відомі як чотири рівняння Максвелла й нині (звісно, переписані сучасною математичною мовою) прикрашають футболки студентів-фізиків по всьому світу. Таким чином, 1873 рік можна визнати таким, коли у фізиці було затверджено друге Велике об’єднання (першим було Ньютонове усвідомлення, що рух небесних тіл і падіння земних яблук зумовлені однією й тією ж силою). Це видатне досягнення людського інтелекту, яке бере початок з експериментальних відкриттів Ерстеда й Фарадея, завершив Максвелл – сумирний молодий фізик-теоретик із Шотландії, котрий потрапив до Англії через несталість академічного життя.

Відкриття нової точки зору на космос завжди приносить або принаймні має приносити невимовне задоволення. Проте наука додає до цього ще одну величезну вигоду. Нове розуміння породжує відчутні та випробовувані наслідки, причому нерідко миттєво.

Саме так сталося з максвеллівським об’єднанням, яке зробило гіпотетичні поля Фарадея в буквальному сенсі такими ж реальними, як ніс у вас на обличчі. У буквальному сенсі, оскільки, виявляється, без них ви не в змозі побачити свого носа.

Геній Максвелла не зупинився на самій лише кодифікації принципів електромагнетизму в елегантній математичній формі. Він використав математику для відкриття прихованої природи найфундаментальнішої з усіх фізичних величин, яка вислизала з рук видатних натурфілософів від Платона до Ньютона включно. Ідеться про найспостережуванішу річ у природі: світло.

Розгляньмо такий мислений експеримент. Візьмемо електрично заряджений предмет та погойдаємо вгору-вниз. Що буде?

Ну, заряд оточений електричним полем, і, коли ви рухаєте заряд, змінюється положення силових ліній. Але, за Максвеллом, це змінне електричне поле породить магнітне поле, яке стирчатиме зі сторінки та входитиме в сторінку так, як показано нижче:

Тут силова лінія, що входить у сторінку, позначена хрестиком (хвіст стрілки), а та, що стирчить зі сторінки – крапкою (наконечник стрілки). Коли заряд мінятиме напрямок руху згори донизу на знизу догори, це поле також мінятиме напрямок на протилежний.

Але ми на цьому не зупинимося. Якщо я продовжу гойдати заряджений предмет, електричне поле, а разом із ним і індуковане магнітне поле продовжуватимуть змінюватись. Але змінне магнітне поле породить електричне поле. Таким чином матимемо нові силові лінії індукованого електричного поля, які будуть направлені вертикально та змінюватимуть напрямок угору-вниз одночасно зі зміною на протилежний знака магнітного поля.

Через брак місця я зображу електричну силову лінію тільки праворуч, проте ліворуч матимемо її індуковане дзеркальне відображення.

Проте це змінне електричне поле, своєю чергою, породить змінне магнітне поле, яке існуватиме ще далі ліворуч і праворуч від діаграми, і так далі.

Гойдання заряду викликає послідовність збурень в електричному та магнітному полях, що поширюються назовні, адже, за правилами магнетизму, що їх визначив Максвелл, зміна кожного з полів слугує джерелом виникнення іншого. Верхній рисунок можна розширити до тривимірного зображення (див. нижче), яке в повному обсязі фіксуватиме природу цих змін:

Тут ми бачимо хвилю електричних та магнітних збурень, себто електромагнітну хвилю, яка рухається назовні, а її електричне й магнітне поля коливаються в просторі й часі, причому коливаються ці поля в напрямках, перпендикулярних як один одному, так і напрямку поширення хвилі.

Ще до того, як Максвелл виписав остаточну форму своїх рівнянь, він показав, що коливальні заряди породжуватимуть електромагнітну хвилю. Але він зробив дещо значно важливіше. Він обчислив швидкість цієї хвилі за допомогою чудового та простого обрахунку, який, гадаю, є моїм улюбленим прикладом виведення формули з усіх, що я демонструю студентам. Ось він.

Ми можемо обрахувати величину електричної сили шляхом вимірювання її величини між двома зарядами, величина яких нам уже відома. Ця сила пропорційна добутку зарядів. Позначимо константу пропорційності А.

Аналогічно ми можемо обрахувати величину магнітної сили між двома електромагнітами, активованими струмами відомої величини. Ця сила пропорційна добутку сил цих струмів. Позначимо цю константу пропорційності Б.

Максвелл показав, що швидкість електромагнітного збурення, випромінюваного коливальним зарядом, можна точно виразити через виміряну силу електрики та виміряну силу магнетизму, що визначаються шляхом вимірювання в лабораторії констант А та Б. Тоді, використавши доступні йому дані вимірювань сили електрики та сили магнетизму й підставивши їх у формулу, він вивів:

Швидкість електромагнітних хвиль = 311 000 000 метрів на секунду.

Згідно з широковідомою історією, коли Альберт Ейнштейн завершив свою загальну теорію відносності та порівняв свої передбачення для орбіти Меркурія з виміряними величинами, у нього затріпотіло серце. Тож можна лише уявляти собі захоплення Максвелла, коли він виконав це обчислення. Адже це число, яке може здатися взятим зі стелі, було йому добре відоме як швидкість світла. 1849 року французький фізик Фізо виміряв швидкість світла (а в ті часи виміряти її було страшенно складно) і отримав:

Швидкість світла = 313 000 000 метрів на секунду.

Враховуючи досяжну в ті часи точність, ці два числа є ідентичними (наразі ми знаємо набагато точніше значення цієї величини, а саме 299 792 458 м/с, яке є ключовим елементом сучасного визначення метра).

1862 року, коли Максвелл уперше здійснив цей обрахунок, він у типовому для нього приниженому тоні зазначив: «Навряд чи нам вдасться уникнути висновку, що світло складається з поперечних хвилеподібних коливань того ж середовища, яке є причиною електричного й магнітного феноменів».

Іншими словами, світло – це електромагнітна хвиля.

Два роки по тому, коли він нарешті написав свою класичну статтю з електромагнетизму, він дещо впевненіше додав: «Світло є електромагнітним збуренням, що поширюється /електромагнітним/ полем згідно з електромагнітними законами».

Цими словами Максвелл нарешті поклав кінець двотисячолітній таємниці, що оточувала природу й походження світла. Його результат, як це часто буває з визначними прозріннями, був неочікуваним побічним продуктом інших фундаментальних досліджень. У цьому випадку він був побічним продуктом одного з найважливіших теоретичних досягнень в історії – об’єднання електрики й магнетизму в єдину прекрасну математичну теорію.

* * *

До Максвелла основним джерелом мудрості була віра в божественне через Книгу Буття. Навіть Ньютон покладався на це джерело для розуміння походження світла. Проте після 1862 року все змінилося.

Джеймс Клерк Максвелл був глибоко віруючою людиною, і його віра іноді змушувала його, як доти Ньютона, робити дивні судження щодо природи. Проте, як до того міфічний персонаж Прометей, котрий викрав у богів і передав людям вогонь для використання, тим самим навіки змінивши їхню цивілізацію, Максвелл також викрав вогонь із перших слів юдейсько-християнського Бога й навіки змінив їхнє значення. Починаючи з 1873 року, нові й нові покоління студентів-фізиків гордо проголошують: «Максвелл записав свої чотири рівняння й сказав: “Хай станеться світло!”».

Розділ 4

Туди й звідти

Землю Ти вґрунтував на основах її, щоб на вічні віки вона не захиталась…

Псалми 103:5

Коли 1633 року Галілео Галілея судили як єретика за те, що він «вважає за істину лжевчення, яке дехто поширює, що Сонце перебуває в центрі світу», він, стоячи перед інквізиторами Церкви, нібито пробурмотів собі під носа: «І все-таки вона обертається». У цих словах знову проявила себе його революційна натура, навіть попри те, що його змусили публічно пристати на архаїчну точку зору, що Земля є нерухомою.

Хоча Ватикан зрештою змирився з рухом Землі, до бідолашного Бога з Книги Псалмів ця новина так ніколи й не дійшла. Це дещо бентежить, адже, як за рік до суду показав Галілей, стан абсолютного спокою неможливо встановити експериментально. Будь-який експеримент, який виконують у стані спокою, на кшталт підкидання в повітря та піймання м’ячика, матиме ідентичний результат, якщо проводити його в русі зі сталою швидкістю, що, скажімо, може статися під час польоту на літаку за відсутності турбулентності. Якщо ілюмінатори літака закриті, жоден експеримент, який можна провести на його борту, не скаже вам, рухається літак чи стоїть на місці.

Хоча Галілей почав катати реальні кулі й метафоричні бочки ще 1632 року, для повного заспокоєння всіх цих пристрастей (на відміну від предметів, пристрасті можна перевести в стан спокою) знадобилося ще 273 роки. І для цього мав з’явитися Альберт Ейнштейн.

Ейнштейн не був революціонером у тому ж сенсі, що й Галілей, якщо під цим терміном розуміти тих, хто скидає диктат авторитетних попередників, як Галілей зробив з Арістотелем. Ейнштейн зробив прямо протилежне. Він знав, що правила, встановлені на основі експериментів, не можна просто так узяти й відкинути, і те, що він цього не робив, є свідченням його геніальності.

Це настільки важливо, що я ще раз повторюю для всіх тих, хто щотижня чи десь так пише мені про те, нібито вони відкрили нову теорію, яка показує, що все, що, як нині нам здається, ми знаємо про всесвіт, хибне, і для обґрунтування можливості цього як приклад для наслідування використовує Ейнштейна. Ваша теорія не просто неправильна, ви ще й робите Ейнштейну страшенну ведмежу послугу: не можна просто так узяти й відкинути правила, встановлені на основі експериментів.

* * *

Альберт Ейнштейн народився 1879-го – того ж року, коли помер Джеймс Клерк Максвелл. Так і хочеться припустити, що планета була б просто не в змозі винести цих двох геніїв одночасно. Зрештою, то був лише збіг, хоч і вдалий. Якби Ейнштейн не мав своїм попередником Максвелла, він не зміг би стати Ейнштейном. Він належав до першого покоління молодих вчених, які зростали, ламаючи голови над новим знанням про світло й електромагнетизм, що їх згенерували Фарадей та Максвелл. Наприкінці ХІХ століття для шибайголів на кшталт Ейнштейна це був справжній передній край фізики. Світло було у всіх на умі.

Ще підлітком Ейнштейну вистачало кмітливості, щоб збагнути, що чудові результати Максвелла стосовно існування електромагнітних хвиль являли собою фундаментальну проблему: вони були несумісні з отриманими трьома століттями раніше не менш чудовими й добре обґрунтованими результатами Галілея стосовно властивостей руху.

Ще до своєї епічної битви з католицькою церквою з приводу руху Землі Галілей стверджував, що ніхто не може провести жодного експерименту для визначення того, рухається вона рівномірно чи стоїть на місці. Проте аж до Галілея стан абсолютного спокою вважали особливим. Арістотель вирішив, що всі предмети прагнуть стану спокою, а церква вирішила, що спокій настільки особливий, що йому належить бути станом центру всесвіту, а саме планети, на яку Бог помістив нас із вами.

Як і інші твердження Арістотеля, хоча, звісно, далеко не всі, поняття особливості стану спокою вельми інтуїтивне (любителям посилатися на мудрість Арістотеля, апелюючи до його доведення існування Бога як першопричини всякого руху, нагадаємо, що він також стверджував, що в жінок інша кількість зубів, аніж у чоловіків, імовірно, навіть не утруднюючи себе перевіркою).

Усе, що ми бачимо в буденному житті, приходить до стану спокою. Себто все, окрім Місяця та планет, що, імовірно, було однією з причин, чому в давні часи їх вважали особливими й такими, що направляються янголами чи богами.

Проте всі наші відчуття того, що ми перебуваємо в спокої, є ілюзією. У наведеному вище прикладі підкидання та піймання м’яча в рухомому літаку ви зрештою зможете сказати, що літак рухається, коли відчуєте поштовхи турбулентності. Проте навіть коли літак стоїть на аеродромі, він не є в спокої. Аеродром разом із Землею рухається навколо Сонця зі швидкістю приблизно 30 км/с, а Сонце зі швидкістю приблизно 200 км/с рухається навколо галактики й так далі.

Галілей кодифікував це у своєму знаменитому твердженні, що закони фізики є однаковими для всіх спостерігачів, які перебувають у стані рівномірного руху, тобто зі сталою швидкістю та прямолінійно (спостерігачі в стані спокою є лише особливим випадком, коли швидкість дорівнює 0). Під цим він мав на увазі, що над таким предметом неможливо провести жодного експерименту, який би визначив, що він не перебуває в стані спокою.

Якщо подивитися на літак у повітрі із землі, легко побачити, що стосовно вас він рухається. Але на землі чи в літаку неможливо провести жодного експерименту, який би визначив, чи це земля, на якій ви стоїте, рухається повз літак, чи навпаки.

Хоча здається неймовірним, що для усвідомлення цього фундаментального факту про наш світ людям знадобилося стільки часу, він дійсно суперечить значній частині нашого чуттєвого досвіду. Значній, проте не всьому. Галілей використовував приклади куль, які скочувалися нахиленими поверхнями, для демонстрації, що те, що філософи минулого вважали фундаментальною рисою світу – гальмівна сила тертя зрештою змушує предмети прийти до стану спокою – була зовсім не фундаментальною, а натомість маскувала реальність, яка лежала в її основі. Галілей помітив, що коли кулі скочувалися з однієї похилої поверхні й закочувалися на іншу, то за умови гладеньких поверхонь кулі підіймалися на ту ж висоту, з якої скочувалися. Але, розглянувши закочування куль на дедалі менш нахилені поверхні, він показав, що для досягнення такої ж висоти, як вихідна, кулям довелося б подолати більшу відстань. З цього він зробив висновок: якщо нахил другої поверхні повністю прибрати, кулі будуть вічно котитися зі сталою швидкістю.

Ця здогадка мала величезне значення та значною мірою фундаментально змінила спосіб нашого мислення про світ. Вона часто називається просто законом інерції – він же перший закон Ньютона – і заклала підґрунтя для другого закону Ньютона, який пов’язує величину зовнішньої сили, що діє на об’єкт, з його спостережуваним прискоренням. Тільки-но Галілей збагнув, що для підтримання руху предмета з постійною швидкістю жодна сила не потрібна, Ньютон дістав змогу зробити логічний наступний крок та висловити думку, що для зміни швидкості потрібна сила.

Віднині небеса й земля не були фундаментально відмінними одне від одного. Прихована реальність в основі руху буденних предметів також робила очевидним, що безкінечний рух астрономічних об’єктів не був надприродним, тим самим формуючи підґрунтя для Ньютонового закону всесвітнього тяжіння, який іще більше послаблював потребу в участі в житті космосу янголів чи інших сутностей.

Таким чином, відкриття Галілея мало фундаментальне значення для становлення фізики такою, якою ми її знаємо нині. Проте не менш фундаментальне значення мало пізніше максвеллівське об’єднання електричної та магнітної сил, що сформувало математичний каркас, на якому збудована вся нинішня теоретична фізика.

* * *

Почавши подорож цією багатою інтелектуальною місциною, Альберт Ейнштейн швидко помітив глибоку й непримиренну розколину, що її перетинала: Галілей та Максвелл не могли обидва одночасно мати рацію.

Понад двадцять років тому, коли моя дочка була ще немовлям, я вперше замислився над тим, як пояснити парадокс, над яким сушив голову молодий Ейнштейн, і коли я віз її в машині, гарний приклад у буквальному сенсі слова вдарив мене по голові.

Галілей показав, що, доки я їду спокійно, зі сталою швидкістю й без раптових прискорень, закони фізики в нашій машині нічим не відрізнятимуться від законів фізики, виміряних у лабораторіях у фізичному корпусі, куди я саме їхав на роботу. Якби моя доня гралася на задньому сидіння з іграшкою, вона могла б підкинути її вгору та розраховувати піймати її без жодних несподіванок. Інтуїція, яку її тіло виробило для гри вдома, стала б їй у пригоді й у машині.

Проте поїздка на машині не присипляла її, як багатьох інших малих діточок, а змушувала нервуватися й почуватися незручно. Під час тієї поїздки її закачало й знудило струменем, і блювота полетіла за детально описаною Ньютоном траєкторією з початковою швидкістю, скажімо, 15 миль на годину, і, описавши в повітрі красиву параболу, приземлилася мені на потилицю.

Припустімо, у цей момент моя машина рухалася за інерцією перед червоним світлом із порівняно малою швидкістю, скажімо, 10 миль на годину. З точки зору когось, хто спостерігав би все це із землі, блювота рухалася зі швидкістю 25 миль на годину, себто швидкість машини стосовно нього (10 м/год) плюс швидкістю блювоти (15 м/год), і за цієї вищої швидкості (25 м/год) траєкторію її руху в напрямку моєї (цього разу рухомої) голови знов-таки гарно описав би Ньютон.

Поки що все гаразд. Але виникає проблема. Нині, коли моя донька виросла, вона полюбляє водити машину. Скажімо, вона їде за автівкою приятеля й набирає його номер на мобільному телефоні (користуючись із міркувань безпеки гарнітурою), щоб сказати, що йому треба повернути праворуч, аби дістатися туди, куди вони обоє їдуть. Поки вона говорить у телефон, електрони скачуть туди-сюди, породжуючи електромагнітну хвилю (у мікрохвильовому діапазоні). Ця хвиля дістається до мобільника її приятеля зі швидкістю світла (насправді вона йде спочатку на супутник, а потім спрямовується вниз до її приятеля, проте опустімо на деякий час це ускладнення), і він дістає сигнал якраз вчасно, щоб повернути там, де треба.

Якими тепер будуть результати вимірювань, що їх провів спостерігач на землі? Здоровий глузд підказує, що мікрохвильовий сигнал долетить від машини моєї доньки до машини її приятеля зі швидкістю, рівною швидкості світла, яку можна виміряти за допомогою встановленого в машині моєї доньки детектора (позначимо її символом с), плюс швидкість її машини.

Проте здоровий глузд оманливий якраз тому, що ґрунтується на буденному досвіді. А в щоденному житті ми не вимірюємо час, який потрібен світлу чи мікрохвилям, щоб долетіти з одного кінця кімнати в інший чи від одного телефона до сусіднього. Якби здоровий глузд був застосовний до цієї ситуації, це означало б, що хтось на землі (озброєний хитромудрим вимірювальним приладдям) виміряв би коливання туди-сюди електронів у телефоні моєї доньки та спостерігав би випромінювання мікрохвильового сигналу, який поширювався б зі швидкістю, скажімо, с + 10 м/год.

Проте видатним тріумфом Максвелла було доведення, що обчислити швидкість електромагнітних хвиль, випромінюваних коливним зарядом, можна суто шляхом вимірювання сили електрики й магнетизму. Таким чином, якби людина на землі спостерігала, що хвилі мають швидкість с + 10 м/год, це означало б, що для цієї людини сили електрики й магнетизму відрізняються від спостережуваних моєю донькою значень, з точки зору якої хвилі рухаються зі швидкістю с.

Проте Галілей каже нам, що це неможливо. Якби для двох спостерігачів виміряні значення електрики й магнетизму відрізнялися, було б можливо визначити, хто з них рухається, а хто ні, оскільки для кожного з цих спостерігачів закони фізики – у цьому випадку електромагнетизму – набували б різних значень.

Тож правим мав бути або Галілей, або Максвелл, проте не обидва вони одночасно. Можливо, через те, що Галілей працював у ті часи, коли фізика була примітивнішою, більшість фізиків схилялися на бік Максвелла. Вони вирішили, що всесвіт повинен мати якусь систему відліку для абсолютного спокою й що обчислення Максвелла були застосовні винятково до неї. Усі спостерігачі, що рухаються відносно цієї системи відліку, отримали б інші результати вимірювання швидкості електромагнітних хвиль відносно себе, аніж ті, які обрахував Максвелл.

Давня наукова традиція надала цій ідеї фізичну підтримку. Урешті-решт, якщо світло є електромагнітним збуренням, збуренням чого саме воно є? Упродовж тисяч років філософи припускали існування «ефіру», певного невидимого фонового матеріалу, що заповнює весь простір, тож було цілком природно запідозрити, що електромагнітні хвилі поширюються саме в цьому середовищі точно так, як звукові хвилі поширюються у воді чи повітрі. У цьому середовищі електромагнітні хвилі поширюються з певною фіксованою, характерною швидкістю (обрахованою Максвеллом), а для спостерігачів, що рухаються відносно цього фону, ці хвилі рухаються швидше чи повільніше залежно від їхнього відносного руху.

Хоча такий варіант виглядає прийнятним, він є ухилянням від відповіді, оскільки, якщо повернутися до аналізу Максвелла, він означатиме, що всі ці різні спостерігачі, які перебувають у відносному русі, отримають різні результати вимірювання сил електрики й магнетизму. Можливо, це вважали прийнятним, оскільки всі досяжні на той час швидкості були настільки малими порівняно зі швидкістю світла, що будь-які відмінності були б у найкращому випадку мікроскопічними й напевне не фіксувалися б вимірювальними приладами.

Якось на громадському заході, де я був присутній, актор Алан Алда кинув виклик усталеним уявленням, сказавши, що мистецтво вимагає важкої праці, а наука – творчості. Хоча обоє вимагають і того, і того, його варіант мені подобається тим, що робить наголос на творчому, артистичному аспекті науки. Я б іще додав до цього твердження, що обидві ці сфери вимагають інтелектуальної мужності. Сама по собі творчість нічого не варта, якщо вона не застосована на практиці. Якщо відсутня мужність втілити новітні ідеї в життя, вони зазвичай загнивають та відмирають.

Я зараз порушив цю тему тому, що істинним мірилом генія Ейнштейна була, мабуть, не так його математична майстерність (хоча, усупереч усталеним уявленням, він був математично обдарованим), як його творчість та інтелектуальна впевненість, що живили його наполегливість.

Перед Ейнштейном стояло завдання узгодити дві суперечливі ідеї. Відкинути одну з них було легко. Винайдення способу зняти суперечливість вимагало творчого підходу.

Рішення Ейнштейна не було заплутаним, проте це не означає, що воно було простим. Мені це нагадує байку про Христофора Колумба, який перед відплиттям на пошуки Нового Світу виграв у корчмі безкоштовну випивку, побившись об заклад, що зможе змусити яйце стояти вертикально на прилавку. Коли корчмар пристав на його умову, Колумб розплющив кінчик яйця та спокійно встановив його вертикально на прилавок. Зрештою він не казав, що не буде його розбивати.

Ейнштейнове розв’язання парадокса Галілея – Максвелла пішло не далеко від цього. Адже, якщо вони обидва мали рацію, значить для виправлення картини треба було зламати щось інше.

Але що саме? Для того, щоб Галілей і Максвелл були праві одночасно, потрібне було щось вочевидь божевільне: у наведеному прикладі обидва спостерігачі мали б виміряти швидкість мікрохвилі, випроміненої мобільником моєї доньки, і виявити, що стосовно них вона однакова, замість отримати два значення, які відрізнялись би на величину швидкості машини.

Проте Ейнштейн поставив собі цікаве запитання: що, кінець кінцем, означає виміряти швидкість світла? Швидкість визначається шляхом вимірювання відстані, яку щось проходить за певну кількість часу. Тож Ейнштейн став міркувати так: два спостерігачі можуть отримати однакову швидкість руху мікрохвилі стосовно кожного з них, якщо відстань, яку має подолати промінь щодо них за фіксований проміжок часу (приміром, за секунду, відміряну кожним із них у власній системі відліку), буде однаковою.

Але це також дещо божевільно. Розглянемо простіший приклад із летючою блювотою. Згадаймо, що в моїй системі відліку вона пролітає від рота моєї доньки на задньому сидінні мені в потилицю, скажімо, на відстані метра, приблизно за чверть секунди. Але для когось на землі в цей проміжок часу машина їде зі швидкістю 10 миль на годину, що становить приблизно 14,5 фута на секунду. Таким чином, стосовно людини на землі за чверть секунди блювота пролітає приблизно 3,6 фута + 3 фути, разом 6,6 фута.

Отже, для двох спостерігачів відстані, які пролетіла блювота за той самий час, помітно відрізняються. Як же може бути так, щоб для мікрохвиль, які виміряли два спостерігачі, відстані були однаковими?

Першим натяком на можливість такого божевілля є те, що електромагнітні хвилі поширюються настільки швидко, що за час, який потрібен хвилям, аби дістатися від однієї машини до іншої, ці машини майже не пересунуться. Тож будь-яка можлива різниця у виміряній за цей час двома спостерігачами пройденій відстані буде фактично невідчутною.

Проте Ейнштейн поставив цей аргумент із ніг на голову. Він збагнув, що насправді обидва спостерігачі не могли виміряти відстані, подолані мікрохвилями, на відстанях, вимірюваних у людських масштабах, оскільки релевантні значення часу, який потрібен світлу для переміщення на відстані, вимірювані в людських масштабах, настільки малі, що в той момент їх виміряти неможливо. І аналогічно в людських масштабах вимірювання часу світло проходитиме настільки великі відстані, що їх також неможливо виміряти безпосередньо. Отже, хто може бути певним, що таке божевілля не може мати місце насправді?

Далі постало запитання: що потрібно, аби це дійсно сталося? Ейнштейн дійшов висновку, що для того, аби цей на перший погляд неможливий результат став можливим, два спостерігачі мають вимірювати відстані та/або час по-різному, але таким чином, щоб для обох із них світло пройшло ту саму виміряну відстань за той самий виміряний час. Тобто це якби спостерігач на землі у випадку з блювотою виміряв, що блювота пролетіла 6,6 фута, але при цьому також якимось чином порахував, що відрізок часу, протягом якого це сталося, був більшим за той, який я виміряв усередині машини, і, таким чином, обчислена (підрахована) ним швидкість блювоти щодо нього була б такою ж, як та, яку я обчислив щодо себе.

Далі Ейнштейн зробив зухвале припущення, що щось на кшталт такого дійсно відбувається, що Максвелл та Галілей праві одночасно й що всі спостерігачі незалежно від свого відносного стану руху виміряють швидкість будь-якого променя світла стосовно себе як однакову й таку, що дорівнює с.

Звісно, Ейнштейн був науковцем, а не пророком, тож він не просто проголосив щось химерне, обґрунтувавши це своїм авторитетом. Він дослідив наслідки зі свого твердження та зробив передбачення, які можна було перевірити для його верифікації.

Зробивши це, він пересунув ігрове поле нашої оповіді з царини світла в царину особистого людського досвіду. Він навіки змінив не лише значення простору й часу, а й самі події, що керують нашими життями.

Розділ 5

Час не лише гроші

Він над порожнечею північ простяг, на нічому Він землю повісив.

Йов 26:7

Славетні давньогрецькі й давньоримські епоси присвячені героям на кшталт Одіссея й Енея, які кидали виклик богам та нерідко обводили тих круг пальця. Для більш сучасних епічних героїв змінилося мало що.

Ейнштейн здолав тисячі років помилкового людського сприйняття, показавши, що навіть Бог Спінози не міг диктувати абсолютну волю простору й часу й що кожен із нас уникає цих уявних кайданів щоразу, як озирається довкола та спостерігає нові дива з-поміж зірок у небі. Ейнштейн брав приклад із геніїв мистецтва на кшталт Вінсента ван Гога й міркував з ощадливістю Ернеста Гемінґвея.

Ван Гог помер за п’ятнадцять років до того, як Ейнштейн розробив свої ідеї щодо простору та часу, проте його картини яскраво демонструють, що наше сприйняття світу суб’єктивне. Пікассо був достатньо нахабним, аби стверджувати, що він малює те, що бачить, навіть зображуючи образи розчленованих людей, частини тіла яких стирчать у різні боки, проте шедеври ван Гога демонструють, що для різних людей світ може виглядати дуже по-різному.

Так і Ейнштейн, наскільки мені відомо, уперше в історії фізики відверто заявив, що концепції «тут» і «зараз» не є універсальними й залежать від спостерігача.

Його аргументація була простою та ґрунтувалася на такому ж простому факті, що ми не можемо перебувати одночасно у двох різних місцях.

Ми звикли до відчуття, що ділимо спільну реальність із людьми навколо нас, оскільки, оглядаючись довкола, начебто переживаємо те саме. Проте це ілюзія, створена блискавичною швидкістю світла.

Коли я спостерігаю, як щось відбувається прямо зараз, скажімо, автомобільну аварію далі вулицею чи поцілунок двох закоханих під ліхтарем, повз яких я прохожу, усі ці події стаються не зараз, а радше тоді. Адже світло, що досягло моїх очей, відбилося від автомобіля чи закоханих трошечки раніше.

Так само, коли я фотографую чудовий краєвид, як щойно в Північній Ірландії, де я почав писати цей розділ, сцена, яку я зафіксував, тягнеться не лише в просторі, а радше в просторі і часі. Світло з віддалених приблизно на кілометр стовпоподібних скель Дороги Гігантів відбилося від них задовго (приблизно за тридцять мільйонних секунди) до того, як світло відбилося від людей на передньому плані, що видираються на шестикутні лавові плато, при цьому досягши моєї камери одночасно з ним.

Збагнувши це, Ейнштейн спитав себе, як дві події, які з точки зору одного користувача відбуваються у двох місцях одночасно, виглядатимуть для іншого спостерігача, який під час спостереження рухається щодо першого. У прикладі, який він розглядав, фігурували поїзди, оскільки він жив у Швейцарії в ті часи, коли майже щоп’ять хвилин із якоїсь швейцарської станції вирушали потяги практично в кожен інший куточок країни.

Уявіть собі зображену нижче картину, на якій блискавка вражає дві точки поблизу кінців поїзда, рівновіддалені від спостерігача А, який стосовно цих точок перебуває в стані спокою, та спостерігача Б, який сидить у поїзді, що рухається й проїжджає повз А в ту мить, коли, як пізніше встановлює А, відбулися удари блискавок:

Дещо пізніше А бачить два спалахи блискавки, що досягають його одночасно. Проте Б за цей час змістився. Тож світлова хвиля, що несе інформацію про правий спалах, уже встигла пройти повз Б, а світло, що несе інформацію про лівий спалах, іще до нього не дісталося.

Б бачить світло з обох кінців свого поїзда, і для нього спалах попереду відбувається до спалаху позаду. Оскільки він виміряв, що світло рухається до нього зі швидкістю с, а сам він перебуває посередині поїзда, він робить висновок, що правий спалах мав статися раніше за лівий.

Хто з них має рацію? Ейнштейну стало зухвалості стверджувати, що мають рацію обидва спостерігачі. Якби швидкість світла була подібна до інших швидкостей, Б, звісно, побачив би одну з хвиль раніше за іншу, проте він також побачив би, що вони прямують до нього з різними швидкостями (та, назустріч якій він рухався, наближалася б швидше, а та, від якої він рухався, – повільніше), і зробив би з цього висновок, що події трапилися одночасно. Проте оскільки згідно з вимірюваннями Б обидва промені світла наближаються до нього з однаковою швидкістю с, реальність, яку він собі вибудовує, зовсім інша.

Як зазначив Ейнштейн, для визначення того, що ми розуміємо під різними фізичними величинами, усе залежить від вимірювання. Можливо, уявити собі реальність, незалежну від вимірювання, було б цікавою філософською вправою, проте з наукової точки зору це безплідна лінія досліджень. Якщо А і Б обидва перебувають в одному місці в той самий час, вони обидва мають у цю мить виміряти те саме, проте якщо вони перебувають на відстані один від одного, майже все різко змінюється. Будь-яке вимірювання, яке може провести Б, каже йому, що подія в передньому кінці поїзда сталася раніше за подію в задньому, тоді як будь-яке вимірювання, яке виконує А, каже йому, що події сталися одночасно. Оскільки ані А, ані Б не можуть перебувати в обох місцях одночасно, їхні вимірювання часу в різних місцях залежать від спостережень у цих місцях, і, якщо ці спостереження ґрунтуються на інтерпретації того, що показує світло від цих подій, їхні визначення того, які з подій у різних місцях сталися одночасно, відрізнятимуться, при цьому вони обидва матимуть рацію.

«Тут» і «зараз» є універсальними лише для тут і зараз, проте не для «там» і «тоді».

* * *

Я не просто так написав, що різко змінюється «майже все». Хай як би химерно не виглядав наведений вище приклад, насправді все може бути значно химернішим. Інший спостерігач, В, що їде поїздом у протилежному до Б напрямку по третій колії, попри А та Б, дійде висновку, що подія ліворуч (у передній частині його поїзда) сталася раніше за подію праворуч. Іншими словами, спостерігачі Б та В побачать події в оберненому порядку. Що для одного було «до», для другого буде «після».

У зв’язку з цим постає очевидна велика проблема. У світі, у якому, на переконання більшості з нас, ми живемо, причини стаються перед наслідками. Але якщо «до» та «після» можуть мінятися залежно від спостерігача, то що відбувається з причиною та наслідком?

На диво, усесвіт має щось на зразок вбудованої пастки-22, яка гарантує, що, хоча нам слід тримати розум відкритим для сприйняття реальності, нема потреби, як любив казати видавець «New York Times», відкривати його настільки, щоб мозок випадав. У цьому випадку Ейнштейн продемонстрував, що обернення впорядкування часу віддалених подій, зумовлене сталістю швидкості світла, можливе лише тоді, коли події рознесені достатньо далеко, щоби променю світла знадобилося більше часу для подолання відстані між ними, ніж становить визначений часовий інтервал між цими подіями. Тоді, якщо ніщо не може рухатися швидше за світло (а саме таким виявляється ще один наслідок із зусиль Ейнштейна узгодити Галілея з Максвеллом), жоден сигнал від однієї події ніколи не зможе надійти так швидко, щоби вплинути на іншу подію, тож перша подія не може бути причиною другої.

Але як бути з двома різними подіями, що відбуваються в одному місці з певним часовим інтервалом? Чи виникнуть у різних спостерігачів суперечки стосовно них? Щоби проаналізувати цю ситуацію, Ейнштейн уявив собі встановлений у поїзді ідеалізований годинник. Годинник тікає щоразу, як промінь світла, що відбився від годинника на одному боці поїзда, відбивається від встановленого на протилежному його боці дзеркала та повертається назад до годинника на стартовому боці поїзда (див. нижче).

Припустімо, що кожен оберт променя (тік годинника) триває мільйонну частку секунди. Тепер розглянемо спостерігача на землі, який бачить цей самий оберт. Оскільки поїзд рухається, промінь світла рухається за траєкторією, показаною нижче, оскільки за час, що минає між випроміненням та прийомом, годинник та дзеркало зміщуються.

Очевидно, що стосовно спостерігача на землі цей промінь проходить більшу відстань, аніж стосовно годинника в поїзді. Проте в обох випадках виміряна швидкість променя дорівнює с. Тобто оберт займає більше часу. У результаті тікання годинника, яке на поїзді триває одну мільйонну частку секунди, під час спостереження із землі триває, скажімо, дві мільйонні частки секунди. Таким чином, годинник у поїзді тікає вдвічі повільніше за годинник на землі. Для годинника в поїзді час сповільнився.

Ще химерніше те, що цей ефект абсолютно симетричний. З точки зору спостерігача в поїзді годинник на землі тікатиме вдвічі повільніше за годинник у поїзді, оскільки пасажир поїзда, який спостерігає за переміщенням світла між дзеркалами, установленими на землі, бачитиме ту саму картину.

Може скластися враження, що сповільнення годинників є лише ілюзією, проте знов-таки вимірювання дорівнює реальності, хоча в цьому випадку дещо вишуканіше, ніж у випадку одночасності. Для того, щоб пізніше порівняти годинники й визначити, годинник кого зі спостерігачів дійсно сповільнився (якщо сповільнився), принаймні одному зі спостерігачів необхідно повернутися назад і приєднатися до іншого. Цей спостерігач буде вимушений змінити свій рівномірний рух, або сповільнившись і розвернувшись, або ж прискорившись зі стану (позірного) спокою й наздогнавши іншого спостерігача.

Після цього два спостерігачі вже не будуть еквівалентними. Виявляється, що, коли спостерігач, який прискорювався чи сповільнювався, повернеться назад у початкову точку, він побачить, що постарів значно менше за свого колегу, який весь цей час перебував у рівномірному русі.

Це звучить наче наукова фантастика, і це дійсно стало поживним матеріалом для значної кількості як гарних, так і поганих фантастичних творів, оскільки робить принципово можливим якраз такий спосіб космічних перельотів галактикою, який зображено в численних кінофільмах. Однак існують кілька суттєвих ускладнень. Хоча завдяки цьому космічний корабель у принципі може облетіти галактику, уклавшись у тривалість людського життя, і Жан-Люк Пікар може пережити всі пригоди, показані в серіалі «Зоряний шлях», командувачам Зоряним флотом було б дуже важко організувати хоч якесь командування та керування хоч якою-небудь федерацією. Місія кораблів на кшталт «Ентерпрайза» могла тривати п’ять років із точки зору екіпажу на його борту, проте кожна подорож корабля від Землі до центру галактики й назад на білясвітловій швидкості з точки зору населення їхньої рідної планети зайняла б десь шістдесят тисяч років. Гірше того, для забезпечення однієї такої мандрівки знадобилося б більше пального, ніж маса всієї галактики, принаймні за умов використання традиційних ракет такого типу, який наявний наразі.

Утім, якщо відкинути всі науково-фантастичні негаразди, «уповільнення часу» – а саме так називається релятивістське сповільнення годинників стосовно рухомих об’єктів – абсолютно реальна річ, яка щодня відчувається тут, на Землі. Приміром, у прискорювачах високоенергетичних частинок на кшталт Великого адронного колайдера ми регулярно розганяємо елементарні частинки до швидкостей, які становлять 99,9999 % швидкості світла, а під час дослідження того, що сталося, спираємося на релятивістські ефекти.

Проте релятивістське вповільнення часу впливає на нас і в буденному житті. Щодня ми на Землі зазнаємо бомбардування космічними променями. Якщо взяти лічильник Ґейґера й стати посеред поля, лічильник клацатиме кожні кілька секунд, реєструючи зіткнення з високоенергетичними частинками, які називаються мюонами. Ці частинки породжуються там, де високоенергетичні протони космічних променів врізаються в атмосферу, породжуючи зливу інших, легших частинок, зокрема мюонів, які є нестабільними, із часом життя приблизно одна мільйонна частка секунди, після чого розпадаються на електрони (і мої улюблені частинки – нейтрино).

Якби не сповільнення часу, на Землі ми ніколи не зафіксували б ці мюонні космічні промені. Адже мюон, який летить із білясвітловою швидкістю, за мільйонну частку секунди, що відділяє його від розпаду, подолає десь близько трьохсот метрів. Проте мюони, що падають на Землю, долають двадцять кілометрів, що приблизно становить дванадцять із половиною миль, які відділяють верхні шари атмосфери, де вони утворюються, від нашого лічильника Ґейґера. Це можливо лише в тому разі, якщо внутрішні «годинники» мюонів (які змушують їх розпадатися приблизно через мільйонну частку секунди) ідуть повільніше стосовно наших годинників на Землі; від десяти до ста разів повільніше, ніж вони йшли б, якби утворювалися в стані спокою в земній лабораторії.

* * *

Останній наслідок здогадки Ейнштейна, що швидкість світла має бути сталою для всіх спостерігачів, виглядає навіть іще парадоксальнішим за інші, почасти через те, що стосується зміни фізичної поведінки об’єктів, які ми можемо побачити й помацати. Проте він іще й допоможе нам повернутися до наших витоків і зазирнути в новий світ поза обмеженнями нашої звичної приземленої уяви.

Попри те, що перетравлення наслідків із цього результату потребує часу, сам він формулюється дуже просто. Коли я несу предмет на кшталт лінійки й рухаюся швидко порівняно з вами, з вашої точки зору моя лінійка буде коротшою, ніж вона є для мене. Скажімо, я можу виміряти, що її довжина становить 10 см:

Але для вас вона може бути завдовжки лише 6 см:

Звісно, ви можете сказати, що це ілюзія, адже як може той самий предмет мати дві різні довжини? Атоми не можуть стиснутися тільки для вас, залишившись на місці для мене.

Утім, хай там як, але повертаємося до питання, що є «реальним». Якщо будь-яке вимірювання, якому ви можете піддати мою лінійку, показує, що вона завдовжки 6 см, то вона є завдовжки 6 см. «Довжина» – це не абстрактна величина, вона вимагає вимірювання. Оскільки вимірювання залежить від спостерігача, довжина також від нього залежить. Аби переконатися, що це можливо, а заодно висвітлити ще одну слизьку релятивістську пастку-22, розглянемо один із моїх найулюбленіших прикладів.

Припустімо, я маю автомобіль завдовжки 12 футів, а ви маєте гараж завглибшки 8 футів. Ясно, що моє авто у ваш гараж не влізе:

Проте з теорії відносності випливає, що, якщо я їду швидко, ваші вимірювання покажуть, що довжина моєї машини становить, скажімо, лише 6 футів, тож вона поміститься у ваш гараж, принаймні допоки перебуває в русі:

Проте розгляньмо ситуацію з мого боку. Для мене довжина мого авто становить 12 футів, а ваш гараж швидко рухається мені назустріч, і тепер згідно з моїми вимірюваннями його глибина становить не 8, а лише 4 фути:

Отже, моє авто точно не поміститься у ваш гараж.

То де правда? Очевидно, що моя машина не може одночасно перебувати в гаражі й поза ним. Чи може?

Спершу розгляньмо вашу точку зору й уявімо, що ви встановили попереду й позаду вашого гаража великі двері. Аби я не вбився під час заїзду в нього, ви робите таке: зачиняєте задні двері, але відчиняєте передні, щоб моя машина могла заїхати. Коли вона опиняється всередині, ви зачиняєте передні двері:

Але далі ви швидко відчиняєте задні двері, доки моя машина в них не врізалася, і я спокійно виїжджаю з другого боку гаража:

Отже, ви продемонстрували, що моя машина побувала всередині вашого гаража, і це дійсно так, адже вона була достатньо малою, щоб туди поміститися.

Проте згадаймо, що з моєї точки зору послідовність віддалених подій у часі може бути іншою. Ось що спостерігатиму я.

Я побачу, як ваш крихітний гараж прямує до мене, і я побачу, як ви відчиняєте передні двері якраз вчасно, щоб передня частина мого авто заїхала всередину.

Далі я побачу, як ви послужливо відчиняєте задні двері, не даючи мені в них врізатися:

Після цього й після того, як задня частина мого авто заїхала в гараж, я побачу, як ви зачиняєте передні двері гаража:

Для мене буде очевидним, що мій автомобіль ніколи не перебував усередині вашого гаража при обох зачинених дверях, адже це неможливо. Ваш гараж замалий.

«Реальність» кожного з нас ґрунтується винятково на тому, що ми здатні виміряти. У моїй системі відліку машина є більшою за гараж. У вашій системі відліку гараж є більшим за машину. Крапка. Річ у тім, що одночасно ми можемо перебувати лише в одному місці, і реальність, у якій ми перебуваємо, однозначна.

Проте висновки, які ми робимо щодо реального світу в інших місцях, ґрунтуються на віддалених вимірюваннях, які залежать від спостерігача.

Але плюси ретельного вимірювання цим не вичерпуються.

Нова реальність, що її відкрив Ейнштейн, яка – так уже сталося – ґрунтувалася на емпіричній коректності закону Галілея та видатному об’єднанні електрики й магнетизму Максвелла, на перший погляд замінює собою всі до одного рудименти об’єктивної реальності суб’єктивними вимірюваннями. Проте, як нагадує нам Платон, справа натурфілософа – копати ще глибше.

Кажуть, що фортуна всміхається підготовленому розуму. У певному сенсі печера Платона підготувала наш розум до відносності Ейнштейна, проте по-справжньому довів цю справу до кінця колишній Ейнштейнів професор математики Герман Мінковський.

Мінковський був блискучим математиком і зрештою обійняв посаду в Геттінгенському університеті. Проте в Цюриху, де він був одним із професорів Ейнштейна, його заняття Альберт прогулював, оскільки в студентські роки майбутній Нобелівський лауреат напрочуд зневажливо ставився до важливості чистої математики. З часом він свою думку змінив.

Згадаймо, що в’язні в Платоновій печері також робили висновок із тіней на стіні, що довжина вочевидь не має об’єктивної сталості. В один момент часу тінь лінійки може виглядати так, маючи завдовжки 10 см:

а в інший – так, завдовжки 6 см:

Я не випадково обрав приклад, аналогічний тому, що його використав під час обговорення відносності. Проте у випадку мешканців Платонової печери ми розуміли, що скорочення довжини відбувається через те, що мешканці печери бачать лише двовимірні тіні справжнього тривимірного об’єкта. Якщо поглянути згори, легко побачити, що коротша тінь на стіні є результатом повороту лінійки під кутом до стіни:

І, як навчив нас інший грецький філософ, Піфагор, у такому вигляді довжина лінійки фіксована, а от поєднання проекції на стіну з лінією, перпендикулярною до стіни, завжди дає ту саму довжину, як показано нижче.

Отож маємо знамениту теорему Піфагора L2 = x2 + y2, яку учні вчать у школах, відколи там викладають геометрію. У тривимірному просторі вона має вигляд L2 = x2 + y2 + z2.

Через два роки після того, як Ейнштейн написав свою першу статтю про теорію відносності, Мінковський збагнув, що неочікувані наслідки сталості швидкості світла й відкриті Ейнштейном нові відношення між простором та часом потенційно можуть також свідчити про глибший взаємозв’язок між ними. Знаючи, що фотографія, яку ми зазвичай уявляємо собі як двовимірне представлення тривимірного простору, насправді є зображенням, розтягнутим і в просторі, і в часі, Мінковський зробив висновок, що, можливо, спостерігачі, які рухаються один стосовно одного, спостерігають різні тривимірні зрізи чотиривимірного всесвіту, у якому простір та час є рівноправними.

Якщо повернутися до прикладу з лінійками у випадку відносності, коли лінійка рухомого спостерігача з точки зору іншого користувача буде коротшою, ніж у системі відліку, у якій вона перебуває в спокої; слід пам’ятати, що для цього спостерігача лінійка також «розтягнута» у часі – події на її кінцях, одночасні з точки зору спостерігача в стані спокою щодо лінійки, не є одночасними для другого спостерігача.

Мінковський зрозумів, що цей та всі інші факти можна узгодити між собою, якщо розглядати різні тривимірні точки зору, що їх дослідив кожен спостерігач, як у деякому сенсі різні «повернуті» проекції чотиривимірного «простору-часу», де існує інваріантна чотиривимірна просторово-часова «довжина», однакова для всіх спостерігачів. Цей чотиривимірний простір, який ми нині звемо простором Мінковського, дещо відрізняється від свого тривимірного аналога тим, що час як четвертий вимір трактується трохи інакше за три виміри простору: x, y та z. Чотиривимірна «просторово-часова» довжина, яку можна позначити S, записується аналогічно до тривимірної довжини, позначеної вище L, не так:

S^2 = x^2 + y^2 + z^2 + t^2,

а ось так:

S^2 = x^2 + y^2 + z^2 – t^2.

Знак «мінус» перед t2 у визначенні просторово-часової довжини S надає простору Мінковського особливих характеристик, і саме через це наші різні точки зору на простір і час, коли ми рухаємося один стосовно одного, є не простими обертаннями, як у випадку Платонової печери, а чимось дещо складнішим.

Менше з тим, одним махом сама природа нашого всесвіту змінилася. Як поетично написав із цього приводу 1908 року Мінковський: «Віднині сам по собі простір та сам по собі час приречені перетворитися на лише тіні, і лише їхній своєрідний союз збереже незалежну реальність».

Таким чином, на перший погляд Ейнштейнова спеціальна теорія відносності робить фізичну реальність суб’єктивною та залежною від спостерігача, проте вживати слово відносність у такому сенсі неправильно. Натомість теорія відносності є теорією абсолютів. Вимірювання простору й часу можуть бути суб’єктивними, проте «просторово-часові» вимірювання – універсальні й абсолютні. Швидкість світла універсальна й абсолютна. А чотиривимірний простір Мінковського – це поле, на якому відбувається гра природи.

Можливо, простіше буде зрозуміти всю глибину радикальної зміни точки зору, викликаної переоформленням Ейнштейнової теорії Мінковським, якщо розглянути реакцію самого Ейнштейна на картину Мінковського. Спершу Ейнштейн назвав її «надлишковою мудрованістю», даючи зрозуміти, що це просто химерна математика, позбавлена фізичної значимості. Невдовзі після цього він додатково підкреслив це, сказавши: «Відколи в теорію відносності вдерлися математики, я сам перестав її розуміти». Проте в остаточному підсумку, як це не раз ставалося в його житті, Ейнштейн змінив думку та визнав, що цей здогад може мати ключове значення для розуміння істинної природи простору й часу, і пізніше збудував свою загальну теорію відносності на підвалинах, які заклав Мінковський.

Було б дуже важко, якщо взагалі можливо, здогадатися, що Фарадеєві обертальні колеса та магніти врешті-решт приведуть до настільки ґрунтовного перегляду нашого розуміння простору й часу. Утім, заднім числом можна стверджувати, що ми мали принаймні запідозрити, що об’єднання електрики й магнетизму може стати провісником світу, у якому рух відкриє нову, приховану реальність.

Повертаючись до Фарадея й Максвелла, одним із важливих відкриттів, з якого це все почалося, було те, що магніт діє на електричний заряд дивною силою. Замість штовхати заряд уперед чи назад, сила магніту завжди прикладена під прямими кутами до руху електричного заряду. Цю силу, нині відому під назвою сили Лоренца, – на честь Гендріка Лоренца, фізика, який теж був близький до відкриття відносності, – можна зобразити таким чином:

Заряд, який рухається між полюсами магніту, виштовхується вгору.

А тепер розглянемо, як усе виглядатиме з точки зору частинки. У її системі відліку магніт рухатиметься повз неї.

Проте за визначенням ми вважаємо, що на електрично заряджену частинку в стані спокою діють лише електричні сили. Отже, оскільки в поданій системі відліку частинка перебуває в спокої, силу, яка на рисунку штовхає її вгору, слід інтерпретувати як електричну силу.

Таким чином, магнетизм одного є електрикою іншого й поєднує їх рух. Тож насправді об’єднання електрики й магнетизму відображає те, що однорідний відносний рух надає спостерігачам різні точки зору на реальність.

Рух – предмет, що його вперше дослідив Галілей, врешті-решт три століття по тому надав ключ до нової реальності, у якій об’єднано не лише електрику й магнетизм, а також простір і час. Коли все лише починалося, такої саги ніхто не очікував.

У цьому й полягає краса найвидатнішої з коли-небудь розказаних оповідей.

Розділ 6

Тіні реальності

І сталося, як вони все йшли та говорили, аж ось появився огняний віз та огняні коні, і розлучили їх одного від одного.

2 Царів 2:11

1908 року, після приголомшливого відкриття несподіваного прихованого зв’язку між простором і часом, можна було б подумати, що природі більше немає чим нас здивувати. Проте космосу начхати на наші відчуття. І світло ще раз надало ключа до дверей кролячої нори у світ, порівняно з яким пригоди Аліси здаються дитячими забавками.

Хоча зв’язки, які виявили Ейнштейн та Мінковський, можуть здатися химерними, їх, як я намагався продемонструвати, можна інтуїтивно зрозуміти, виходячи зі сталості швидкості світла. Значно менш інтуїтивним було наступне відкриття, яке полягало в тому, що в дуже малих масштабах природа поводиться таким чином, який людська інтуїція не в змозі навіть повною мірою усвідомити, оскільки ми не здатні безпосередньо сприймати цю поведінку.

Як сказав одного разу Річард Фейнман, ніхто не розуміє квантову механіку, якщо тлумачити розуміння як розробку конкретної фізичної картини, що справляє враження повністю інтуїтивної.

Навіть через багато років після відкриття правил квантової механіки ця дисципліна продовжує підносити сюрпризи. Приміром, 1952 року астрофізик Генбері Браун збудував прилад для вимірювання кутового розміру великих джерел радіохвиль у небі. Він працював настільки добре, що вони з колегою Річардом Твіссом спробували застосувати цю саму ідею для вимірювання оптичного світла від окремих зір для визначення їхнього кутового розміру. Багато фізиків стверджували, що їхній інструмент, названий інтерферометром інтенсивностей, не буде працювати. Вони були переконані, що квантова механіка це виключає.

Але він спрацював. Це був не перший і далеко не останній раз, коли фізики помилялися щодо квантової механіки…

Опановування химерної поведінки квантової механіки нерідко означає прийняття того, що здавалося неможливим. Як жартівливо висловився сам Браун, намагаючись пояснити теорію свого інтерферометра інтенсивностей, вони з Твіссом тлумачили «парадоксальну природу світла, або, якщо хочете, пояснювали незбагненне, себто робили щось дуже й вельми несподівано схоже на проповідування афанасіївського символу віри». І справді, подібно до багатьох із найхимерніших результатів квантової механіки, Свята Трійця – Отець, Син та Дух Святий, одночасно втілені в єдиній сутності, – також здається неможливою. Зрештою, цим подібність вичерпується.

Здоровий глузд також каже нам, що світло не може бути одночасно і хвилею, і частинкою. Утім, попри підказки здорового глузду й незалежно від того, подобається нам це чи ні, експерименти показують, що саме так воно і є. На відміну від складеного в V столітті символу віри, цей факт є не лише справою семантики, вибору чи віри. Тож нам немає потреби щотижня декламувати символи віри квантової механіки, аби вони видавалися менш химерними чи більш правдоподібними.

Ми чуємо про «інтерпретації квантової механіки» з вагомої причини: «класична» картина реальності, тобто картина, створена Ньютоновими законами класичного руху світу в тому вигляді, який ми сприймаємо в людських масштабах, не годиться для охоплення всієї картини. Поверхневий світ, який ми сприймаємо, приховує ключові аспекти процесів, які лежать в основі феноменів, що ми їх спостерігаємо. Так само Платонові філософи не могли відкрити біологічні процеси, що керують людьми, лише спостерігаючи за тінями людей на стіні. Будь-який рівень аналізу навряд чи дав би їм змогу інтуїтивно вирахувати повну реальність, приховану за темними формами.

Квантовий світ відкидає наші поняття про те, що є осмисленим або навіть узагалі можливим. Він каже, що в малих масштабах та впродовж коротких періодів часу проста класична поведінка макроскопічних об’єктів – наприклад, бейсбольних м’ячів, які пітчер кидає кетчеру, – просто-таки ламається. Натомість у малих масштабах об’єкти демонструють багато різних класичних поведінок, а також класично недопустимих поведінок одночасно.

Квантова механіка, як і майже вся фізика з часів Платона, почалася з роздумів науковців про світло. Тому розпочати вивчення квантового божевілля доречно саме зі світла, цього разу повернувшись до важливого експерименту, який уперше описав британський полімат[5] Томас Юнґ на початку ХІХ століття, а саме знаменитого «експерименту з двома щілинами».

Юнґ жив в епоху, яку сьогодні дуже важко собі уявити; у ті часи розумна та працьовита особа могла зробити прориви одразу в безлічі різних сфер. Проте Юнґ був не просто розумною та працьовитою особою. Він був вундеркіндом, який у два роки навчився читати, а до тринадцяти років прочитав найвідоміші грецькі й римські епоси, збудував мікроскоп і телескоп та вивчав одразу чотири мови. Пізніше, 1806 року, маючи лікарський фах, Юнґ першим запропонував сучасну концепцію енергії, яка нині пронизує всі сфери наукового пошуку. Цього вже вистачило б, щоб він увійшов в історію, проте у вільний від роботи час Юнґ одним із перших допомагав розшифрувати ієрогліфи на Розетському камені. Він розробив фізику еластичних матеріалів, пов’язану з тим, що нині зветься модулем Юнґа, і першим пролив світло на фізіологію кольорового зору. А його дивна демонстрація хвильової природи світла (яка йшла врозріз з авторитетним твердженням Ісаака Ньютона, що світло складається з частинок) була настільки захопливою, що допомогла Максвеллу закласти підвалини відкриття електромагнітних хвиль.

Експеримент Юнґа дуже простий. Повернімося до Платонової печери та уявімо собі екран, розташований перед її задньою стінкою. Зробімо в екрані дві щілини, як показано нижче (вигляд згори):

Якщо світло складається з частинок, тоді промені світла, що пройдуть крізь щілини, утворять на стіні поза ними дві світлі лінії:

Проте було добре відомо, що хвилі, на відміну від частинок, в околах бар’єрів та вузьких щілин дифрагують і утворили б на стіні зовсім інше зображення. Якщо хвилі натикаються на бар’єр і якщо кожна зі щілин достатньо вузька, на кожній із них утворюються хвилі, що розходяться колом, і ці хвилі з двох щілин «втручатимуться»[6] одна в одну, подеколи конструктивно, а подеколи деструктивно. У результаті на задній стінці утворюється фігура зі світлих та темних ділянок, як показано нижче:

Використовуючи простий пристрій із вузькими щілинами, Юнґ описав цю інтерференційну фігуру та характеристики хвиль і дуже переконливо продемонстрував хвильову природу світла. Ця подія 1804 року стала віхою в історії фізики.

Можна спробувати відтворити експеримент Юнґа, узявши замість світла елементарні частинки на кшталт електронів. Якщо направити пучок електронів на фосфоресцентний екран, як ті, що в старих телевізорах, у місці зіткнення променя з екраном побачимо яскраву цятку.

Тепер уявімо, що ми помістили перед екраном дві щілини, як Юнґ перед світлом, і спрямуємо на екран широкий пучок електронів:

Послуговуючись обґрунтуванням, яке я навів під час обговорення поведінки світла, природно було б очікувати побачити світлі смуги за кожною зі щілин, через які електрони можуть потрапити на екран. Утім, як ви вже, можливо, здогадалися, побачите зовсім не це, принаймні якщо щілини достатньо вузькі й достатньо близькі одна до одної. Натомість ви побачите інтерференційну фігуру, подібну до тієї, яку побачив Юнґ у випадку світлових хвиль. Схоже, що електрони, які є частинками, у цьому випадку поводяться точно як світлові хвилі. У квантовій механіці частинки мають хвилеподібні властивості.

Те, що електронні «хвилі» з однієї щілини можуть інтерферувати з електронними «хвилями» з іншої щілини, несподівано та дивно, проте аж ніяк не настільки дивно, як те, що станеться, якщо спрямовувати електрони на екран поодинці. Навіть у цьому випадку на екрані вибудовується фігура, ідентична до інтерференційної. Якимось чином кожен електрон інтерферує із самим собою. Електрони не більярдні кулі.

Це можна зрозуміти так: імовірність зіткнення електрона з екраном у кожній точці визначається шляхом сприйняття кожного електрона як такого, що рухається не якоюсь однією траєкторією, а одночасно багатьма різними траєкторіями, деякі з яких проходять крізь першу щілину, а деякі інші – через другу. Тоді ті, що проходять крізь першу щілину, інтерферують із тими, що проходять крізь другу, породжуючи на екрані спостережувану інтерференційну фігуру.

Простіше кажучи, не можна сказати, що електрон проходить крізь першу або крізь другу щілину, як це робила б більярдна куля. Натомість він не проходить крізь жодну, водночас проходячи крізь обидві.

«Маячня», – скажете ви. І запропонуєте варіант експерименту, щоб це довести. Поставимо на кожну щілину електронно-вимірювальний пристрій, який клацатиме щоразу, як через цю щілину пролітатиме електрон.

Проте якщо тепер поглянути на фігуру з електронів, що накопичуються на екрані поза щілинами, замість початкової інтерференційної фігури ми побачимо фігуру, яку очікували від самого початку: зі світлими ділянками поза кожною зі щілин, точно як у випадку, якби ми обстрілювали екран більярдними кулями чи снарядами.

Іншими словами, спробувавши перевірити своє класичне передбачення, ви змінили поведінку електронів. Або, як зазвичай постулюється у квантовій механіці, вимірювання системи може змінювати її поведінку.

Один із багатьох на перший погляд неможливих аспектів квантової механіки полягає в тому, що неможливо провести жодного експерименту, який демонструє, що за відсутності вимірювання електрони поводяться осмисленим класичним чином.

Ця дивна хвилеподібна природа об’єктів, які в іншому разі вважали б частинками на кшталт електронів, математично виражається шляхом присвоєння кожному електрону «хвильової функції», яка описує ймовірність виявлення цього електрона в будь-якій поданій точці. Якщо хвильова функція приймає ненульові значення в багатьох різних точках, то положення електрона не може бути ізольоване заздалегідь до точного вимірювання його положення. Іншими словами, існує ненульова ймовірність, що перед вимірюванням електрон насправді не локалізується в якійсь одній конкретній точці в просторі.

Хоча можна подумати, що це лише проблема відсутності доступу до всієї інформації, потрібної для знаходження частинки до здійснення вимірювання, експеримент Юнґа з двома щілинами, застосований до електронів, показує, що це абсолютно точно не так. Будь-яка «осмислена» класична картина того, що відбувається між вимірюваннями, не відповідає даним.

* * *

Дивна поведінка електронів була не першим свідченням того, що мікроскопічний світ не можна зрозуміти за допомогою інтуїтивної класичної логіки. І знов-таки, продовжуючи традицію революційних проривів у нашому розумінні природи з часів Платона, відкриття квантової механіки почалося з вивчення світла.

Згадаймо, що якщо провести Юнґів експеримент із двома щілинами над світловими променями в Платоновій печері, то матимемо на стіні інтерференційну фігуру, яку відкрив Юнґ, котра демонструє, що світло дійсно є хвилею. Поки що все добре. Утім, якщо джерело світла достатньо слабке, то, якщо ми спробуємо засікти світло під час проходження через якусь зі щілин, станеться дуже дивна річ. Згідно з нашими вимірюваннями, промінь світла проходитиме через першу або через другу щілину, проте не через обидві. І, як й у випадку з електронами, у цьому разі фігура на стіні зміниться й виглядатиме так, як виглядала б, якби світло складалося з частинок, а не хвиль.

Фактично світло також поводиться і як частинка, і як хвиля залежно від обставин, за яких ви вирішите його вимірювати. Окремі частинки світла, які ми нині називаємо фотонами, вперше назвав квантами німецький фізик-теоретик Макс Планк, який 1900 року висунув твердження, що існує якась найменша порція світла, яка може бути випромінена чи поглинена (хоча ідею, що світло може складатися з дискретних пакетів, висунув іще раніше, 1877 року, видатнй Людвіг Больцман).

Чим більше я дізнавався про життя Планка, тим більше його поважав. Як Ейнштейн, він був безоплатним лектором, і після захисту дисертації йому не запропонували академічної посади. Цей період своєї кар’єри Планк присвятив намаганням зрозуміти природу тепла та створив кілька важливих праць із термодинаміки. Через п’ять років після захисту дисертації йому врешті-решт запропонували університетську посаду, після чого Планк швидко піднявся кар’єрними щаблями й 1892 року став штатним професором престижного Берлінського університету.

1894 року Макс Планк звернувся до питання природи світла, випромінюваного гарячими об’єктами, почасти з комерційних міркувань (перший на моїй пам’яті приклад у моїй оповіді, коли фундаментальна фізика була комерційно вмотивована). Йому замовили вивчити, як видобути максимальну кількість світла з нещодавно винайдених лампочок розжарювання, використовуючи при цьому мінімальну кількість енергії.

Усі ми знаємо, що в процесі розігрівання спіралі духовки вона спершу світиться червоним, а коли стає ще гарячішою, починає світитися синім. Але чому? Як не дивно, традиційні підходи до цієї проблеми були нездатні відтворити ці спостереження. Віддавши цій проблемі шість років, Планк презентував революційну здогадку про випромінювання, яка узгоджувалася зі спостереженнями.

Спершу нічого революційного в його виведеннях не було, але через два місяці вчений переглянув свій аналіз, аби охопити ідеї про те, що відбувається на фундаментальному рівні. За висловом самого Планка, уперше прочитавши який, я одразу ж його полюбив, його новий підхід виник як «жест відчаю… я був ладен пожертвувати всіма своїми попередніми переконаннями щодо фізики».

Для мене це є відображенням фундаментальної якості, яка робить науковий процес настільки ефективним і яка настільки яскраво проявилася в розвитку квантової механіки. «Попередні переконання» – лише переконання, що чекають на спростування; якщо потрібно, емпіричними даними. Якщо такі любі нам колишні поняття не працюють, ми викидаємо їх, наче вчорашню газету. А для пояснення природи виділеного матерією випромінювання вони не працювали.

Планк вивів свій закон випромінювання з фундаментального припущення, що світло, яке є хвилею, виділяється лише «пакетами» деякої мінімальної кількості енергії, пропорційної частоті цього випромінювання. Він позначив константу, яка пов’язувала енергію з частотою, «квантом дії»; нині вона називається сталою Планка.

Можливо, це не звучить дуже вже революційно і, як і Фарадей у випадку з електричними полями, Планк розглядав своє припущення лише як формальну математичну милицю для свого аналізу. Пізніше він проголошував: «Узагалі-то я багато про це не думав». Утім, гадку, що світло випромінюється у вигляді частинкоподібних пакетів, вочевидь важко узгодити з класичним уявленням про світло як хвилю. Енергія, що переноситься хвилею, невигадливо пов’язана з величиною її коливань, яка може неперервно змінюватися, починаючи від нуля. Проте, за Планком, кількість енергії, яку можна випромінити у світловій хвилі певної частоти, має абсолютний мінімум. Цей мінімум було названо квантом енергії.

Далі Планк спробував виробити класичне фізичне розуміння цих квантів енергії, проте зазнав невдачі, що завдало йому, за його власними словами, «великої прикрості». Утім, на відміну від деяких колег, він усвідомлював, що всесвіт існує не для того, щоб полегшувати життя. Так, стосовно фізика й астронома сера Джеймса Джинса, який не бажав відкинути класичні поняття перед лицем наданих випромінюванням свідчень, Планк зазначав: «Я не можу зрозуміти Джинсової впертості; він є прикладом теоретика, який ніколи не мав би існувати, точно як Геґель у філософії. Якщо факти не відповідають теорії, тим гірше для фактів» (про всяк випадок, якщо читачі відчують бажання написати мені листи, цей наклеп на Геґеля звів Планк, а не я!).

Пізніше Планк потоваришував з іншим фізиком, який дозволив фактам привести себе до іншої революційної ідеї – Альбертом Ейнштейном. 1914 року, коли Планк став деканом Берлінського університету, він організував для Ейнштейна нову посаду професора. Спершу Планк не міг прийняти видатний здогад Ейнштейна, який той висловив 1905-го, – того ж року, коли запропонував спеціальну теорію відносності, – що світло не лише випромінюється матерією у вигляді квантових пакетів, а що промені світла як такі існують у вигляді наборів цих квантів, тобто що світло як таке складається з частинкоподібних об’єктів, які ми нині називаємо фотонами.

Ейнштейн дійшов до цієї думки, намагаючись пояснити феномен під назвою «фотоелектричний ефект», що його відкрив 1902 року Філіпп Ленард – фізик, чий антисемітизм пізніше відіграє ключову роль у відтермінуванні присудження Ейнштейну Нобелівської премії і, що цікаво й навіть поетично, приведе до того, що науковець отримає її не за свою роботу над теорією відносності, а саме за фотоелектричний ефект. Фотоелектричний ефект полягає в тому, що світло, спрямоване на металеву поверхню, може вибивати з атомів електрони й породжувати струм. Проте яким би інтенсивним не було світло, якщо його частота нижча за деякий поріг, жоден електрон не вибивається. Але щойно частота перевищує цей поріг, виникає фотоелектричний струм.

Ейнштейн збагнув, що це можна пояснити, якщо світло поширюється у вигляді мінімальних пакетів енергії, пропорційної частоті світла, як постулював Планк для світла, випроміненого матерією. У цьому випадку лише світло з частотами, що перевищують деяку граничну величину, може містити достатню кількість енергетичних квантів, щоб вибити електрони з атомів.

Планк міг сприйняти квантифікований випуск випромінювання як пояснення свого закону випромінювання, проте припущення, що квантоподібним (себто частинкоподібним) є світло як таке, було настільки чужорідним для звичного розуміння світла як електромагнітної хвилі, що Планк уперся. Лише шість років по тому, на конференції в Бельгії, на одному із Сольвеївських конгресів, які пізніше стали знаменитими, Ейнштейну врешті-решт вдалося переконати Планка, що класичну картину світла слід відкинути й що кванти (вони ж фотони) дійсно існують.

Також Ейнштейн був першим, хто на практиці використав факт, який пізніше відкинув у своєму знаменитому твердженні, що висміювало ймовірнісну сутність квантової механіки й реальності: «Бог не грає в кості зі всесвітом». Він показав, що, якщо атоми спонтанно (себто без безпосередньої причини) поглинають та випускають скінченні пакети випромінювання в міру того, як електрони перестрибують з одного дискретного енергетичного рівня атомів на інший, він може перевивести закон випромінювання Планка.

За іронією долі Ейнштейн, який започаткував квантову революцію, проте так до неї й не долучився, також, схоже, був першим, хто використав імовірнісні аргументи для опису природи матерії – стратегію, яку наступні фізики, котрі обернули квантову механіку на повноцінну теорію, поставлять на перше місце. Унаслідок цього Ейнштейн став одним із перших фізиків, хто продемонстрував, що Бог грає в кості зі всесвітом.

Цю аналогію можна поглибити, зауваживши, що Ейнштейн був одним із перших фізиків, хто продемонстрував, що класичне поняття причинно-наслідкового зв’язку у квантовому світі починає ламатися. Багато хто різко заперечує проти моєї думки, що всесвіт не потребував якоїсь мети й просто вигулькнув із нічого. Проте саме це відбувається зі світлом, за допомогою якого ви читаєте цю сторінку. Електрони в гарячих атомах випускають фотони, – фотони, що не існували до того, як були випущені, – і ці фотони випускаються спонтанно, без конкретної мети. То чого ж ми принаймні дещо примирилися з ідеєю, що фотони можуть створюватися з нічого без мети, але не можемо примиритися, що це стосується цілих усесвітів?

Усвідомлення, що електромагнітні хвилі також є частинками, розпочало квантову революцію, яка повністю змінила наш спосіб розгляду природи. Як має бути зрозуміло з викладеного на початку розділу, з класичної точки зору бути одночасно частинкою й хвилею неможливо, проте у квантовому світі це можливо. І, як також має бути зрозуміло, це був лише початок.

Розділ 7

Всесвіт за всяку вигадку дивніший

Тож не відкидайте відваги своєї, бо має велику нагороду вона.

До Євреїв 10:35

Широким загалом поширена думка, що фізики обожнюють винаходити божевільні езотеричні штуки для пояснення всесвіту навколо нас тому, що або ми не маємо чого робити, або ми якісь дивакуваті збоченці. Проте, як свідчить відкриття квантового світу, почасти сама природа, незважаючи на всі наші брикання й зойки, тягне нас, науковців, геть від безпечного світу знайомих речей.

Зрештою, було б глибоко помилково стверджувати, що першопрохідцям, які торували нам шлях до квантового світу, бракувало впевненості. Подорож, яку ми здійснили, не мала ні прецедентів, ані дороговказів. Вони входили у світ, що суперечив усілякому здоровому глузду та класичній логіці, і на кожному повороті мали бути готові до зміни правил.

Уявіть, що ви подорожуєте автівкою до іншої країни, усі мешканці якої спілкуються іноземною мовою, а закони ґрунтуються на засадах, абсолютно непорівнюваних з усім, з чим ви стикалися у своєму житті. Ба більше, уявіть, що світлофори там приховані й пересуваються з місця на місце. Отоді ви відчуєте, куди направлялися юні шибайголови, які в першій половині ХХ століття поставили наше розуміння природи догори дриґом.

Аналогія між дослідженням дивних нових квантових світів та мандрівкою незнайомим ландшафтом може здатися притягнутою за вуха, проте саме такий взаємозв’язок знайшов відображення в житті нікого іншого як Вернера Гайзенберга, одного із засновників квантової механіки, який одного разу поділився спогадами про той літній вечір 1925 року на острові Гельголанд, чарівній оазі в Північному морі, коли він збагнув, що відкрив квантову теорію: «Була майже третя ранку, коли я нарешті отримав кінцевий результат своїх обрахунків. Закон збереження енергії справдився для всіх членів рівняння, і в мене більше не було підстав сумніватися в математичній узгодженості та зв’язності різновиду квантової механіки, на який указували мої обрахунки. Спершу я глибоко стривожився. У мене було відчуття, ніби я дивлюся крізь поверхню атомного феномену на дивовижно прекрасний внутрішній світ, і я ледь не запаморочився від думки, що тепер маю вивчити це розмаїття математичних структур, настільки щедро розкладених переді мною природою. Я був занадто збуджений для сну, тож, поки навколо займався світанок нового дня, вирушив на південний край острова, до скелі, що видавалася в море, яку мені давно вже кортіло підкорити. Того ранку я зробив це без особливих зусиль і чекав там на схід сонця».

Щойно отримавши докторський ступінь, Гайзенберг переїхав до поважного німецького Геттінгенського університету, щоби працювати разом із Максом Борном, намагаючись розробити узгоджену теорію квантової механіки (цей термін уперше вжив Борн 1924 року у своїй статті «Про квантову механіку»). Проте Гайзенберга підкосила сінна лихоманка, тож він проміняв зелені поля на море. Саме там він відполірував ідеї щодо квантової поведінки атомів та відіслав роботу Борну, який подав її до друку.

Можливо, вам знайоме ім’я Гайзенберга, і не в останню чергу завдяки пов’язаному з ним відомому принципу. Принцип невизначеності Гайзенберга набув нью-ейджевої аури, надавши численним шарлатанам засіб одурманення людей, яким здавалося, що квантова механіка дає надію на існування світу, де може справдитися будь-яка, навіть найхимерніша мрія.

Кожен з інших, чиї імена напевне вам знайомі – Бор, Шрьодінґер, Дірак, а пізніше Фейнман і Дайсон, – також зробили великі стрибки в невідоме. Проте вони були не самі. Фізика – командна дисципліна. Надто часто наукові оповіді написано так, наче їхні герої пережили раптове «Ага!» – прозріння наодинці глупої ночі. Гайзенберг упродовж кількох років працював над квантовою механікою разом із науковим керівником своєї дисертації, блискучим німецьким науковцем Арнольдом Зоммерфельдом (чиї чотири студенти й три асистенти-постдокторанти здобули Нобелівські премії), а пізніше з Борном (урешті відзначеним Нобелівською премією майже тридцять років по тому), а також із молодим колегою Паскуалем Жорданом.

Кожен визначний тріумф, відзначений іменем та премією, супроводжується легіоном працьовитих, часто менш славетних особистостей, кожна з яких потроху просувала вперед лінію зіткнення. Непевні дитячі крочки – норма, а не виняток.

Найвидатніші стрибки в невідоме зазвичай дістають належну оцінку навіть від своїх розробників, лише значно пізніше. Тому, приміром, Ейнштейн не настільки довіряв своїй чудовій загальній теорії відносності, аби повірити її передбаченню, що всесвіт не може бути статичним і має або розширюватися, або стискатися, аж доки спостереження не засвідчили розширення. І коли вийшла друком стаття Гайзенберга, світ догори дриґом не став. На думку приятеля й сучасника Гайзенберга, блискучого й запального фізика Вольфганга Паулі (ще одного асистента Зоммерфельда, який пізніше отримав Нобелівську премію), ця робота була, по суті, математичною мастурбацією, на що Гайзенберг жартівливо відповів: «Ви маєте погодитися, що, хай там як, ми не маємо на меті зруйнувати фізику, виходячи зі злого умислу. Коли ви сварите нас, що ми такі повні осли, що не привнесли у фізику нічого нового, ви, не виключено, маєте рацію. Проте в такому випадку ви не менший осел, адже також досі цього не зробили… Не тримайте на мене зла й усього вам найкращого».

Фізика не розвивається лінійно, як це описують підручники. У реальному житті, як і в багатьох гарних детективах, на кожному кроці трапляються оманливі сліди, хибні тлумачення та повороти не туди. В історії розвитку квантової механіки таких повно. Але я хочу одразу перейти до суті, тож пропущу Нільса Бора, чиї ідеї заклали основу перших фундаментальних атомних правил квантового світу, а також значною мірою підвалини сучасної хімії. Ми також пропустимо Ервіна Шрьодінґера, напрочуд колоритного персонажа, який прижив щонайменше трьох дітей від різних коханок і чиє хвильове рівняння є найвідомішою іконою квантової механіки.

Натомість я зосереджуся спершу на Гайзенбергу, точніше, не на самому науковцеві, а на його досягненні, яке уславило його ім’я, – на принципі невизначеності Гайзенберга. Його часто інтерпретують у такому ключі, що спостереження за квантовими системами впливають на їхні властивості – і це яскраво проявилося в розглянутих вище прикладах з електронами чи фотонами, які проходять крізь дві щілини й зіштовхуються з екраном позаду них.

На жаль, це справляє хибне враження, що якимось чином спостерігачі, зокрема спостерігачі-люди, відіграють ключову роль у квантовій механіці – непорозуміння, яким скористався мій «Твіттер»-супротивник Діпак Чопра, який у своїх численних плутаних висловлюваннях, схоже, чомусь виходить із того, що всесвіт не існував би за відсутності нашої свідомості, яка визначає його властивості відносно своєї системи відліку. На щастя, вік усесвіту перевищує час існування свідомості Чопри, і він досить непогано почувався задовго до виникнення хоч якогось життя на Землі.

Проте за своєю суттю принцип невизначеності Гайзенберга жодним чином не стосується спостерігачів, хоча дійсно обмежує їхню здатність здійснювати вимірювання. Натомість він являє собою фундаментальну властивість квантових систем і може бути відносно прямолінійно й математично виведений із хвильових властивостей цих систем.

Розглянемо для прикладу просте хвилеподібне збурення з єдиною частотою (довжиною хвилі), яке коливається, рухаючись уздовж осі х:

Як уже було зазначено вище, у квантовій механіці частинки мають хвилеподібну природу. Завдяки Максу Борну ми знаємо, що квадрат амплітуди хвилі, пов’язаної з частинкою в довільній точці, – услід за Шрьодінґером ми називаємо це хвильовою функцією частинки, – визначає ймовірність виявлення частинки в цій точці. Оскільки амплітуда наведеної вище коливної хвилі більш-менш однакова на всіх піках, така хвиля, якщо вона відповідає ймовірнісній амплітуді виявлення електрона, означатиме більш-менш однорідно розподілену ймовірність виявлення електрона будь-де на її шляху.

Тепер поглянемо, як виглядатиме збурення, якщо воно є сумою двох хвиль із дещо різними частотами (довжинами хвилі), що рухаються вздовж осі х:

Поєднавши ці дві хвилі, дістанемо таке збурення:

Через деяку відмінність довжин цих двох хвиль піки й западини будуть скасовувати одне одного, або «негативно інтерферувати» всюди, окрім невеликої кількості місць, де в одній точці сходитимуться два піки (одне з таких місць показане на рисунку вище). Це нагадує феномен інтерференції хвиль в описаному раніше експерименті Юнґа з двома щілинами.

Якщо додати ще одну хвилю з дещо іншою довжиною,

результуюча хвиля виглядатиме так:

Інтерференція стирає ще більше коливань, за винятком ділянки, де дві хвилі збігаються, за рахунок чого амплітуда хвилі в піку значно більша, ніж деінде.

Можна уявити, що станеться, якщо продовжити цей процес, додаючи до початкової хвилі чітко вивірену кількість хвиль із дещо різними частотами. Урешті-решт амплітуди результуючої хвилі скорочуватимуться всюди, крім деякого невеликого околу в центрі фігури та віддалених місць, де знову можуть зійтися всі піки.

Чим більше дещо відмінних частот буде складено докупи, тим вужчим буде найбільший центральний пік. Тепер уявімо, що це є представленням хвильової функції деякої частинки. Чим більшою є амплітуда центрального піка, тим вища ймовірність виявити частинку десь у межах ширини цього піка. Проте ширина центрального піка ніколи не досягає нуля, тож збурення лишається розподіленим по деякій малій, хоча й дедалі вужчій ділянці.

Тепер згадаймо, що Планк та Ейнштейн розповіли нам, що принаймні у випадку світлових хвиль енергія кожного кванта випромінювання, тобто кожного фотона, прямо пов’язана з його частотою. Не дивно, що аналогічне співвідношення справедливе для ймовірнісних хвиль, пов’язаних із масивними частинками, проте в цьому випадку з частотою асоційованої з такою частинкою ймовірнісної хвилі пов’язаний імпульс цієї частинки.

Отже, маємо відношення невизначеності Гайзенберга: якщо ми хочемо локалізувати частинку в малій ділянці, себто зробити найвищий пік її хвильової функції якомога вужчим, ми маємо врахувати, що ця хвильова функція отримана шляхом комбінування великої кількості різних хвиль із дещо різними частотами. Але це означає, що імпульс цієї частинки, який пов’язаний із частотою її хвильової функції, має бути дещо розподілений. Чим вужчим у просторі є домінантний пік хвильової функції частинки, тим більшу кількість різних частот (себто імпульсів) треба скласти докупи, щоб утворити кінцеву хвильову функцію.

Якщо простіше, чим точніше ми бажаємо встановити конкретне місцезнаходження частинки, тим більшою стає невизначеність її імпульсу.

Як бачите, тут нема ніяких обмежень, пов’язаних із реальними спостереженнями, зі свідомістю, чи з конкретною технологією, пов’язаною з якимсь спостереженням. Невід’ємною властивістю фактичного стану справ є те, що у квантовому світі з кожною частинкою пов’язана якась хвильова функція, і в частинок із певним фіксованим імпульсом хвильова функція має певну специфічну частоту.

Відкривши цей взаємозв’язок, Гайзенберг першим запропонував евристичну картину того, чому все має бути саме так, яку він сформулював у термінах мисленого експерименту. Аби визначити місцезнаходження частинки, треба, щоб від неї відбилося світло, а визначення місцезнаходження з великою точністю вимагає використання світла з достатньо малою для визначення цього місцезнаходження довжиною хвилі. Проте чим меншу довжину хвилі має квант цього випромінювання, тим більшу частоту й вищу енергію він має. Проте якщо від частинки відбиватиметься світло з дедалі більшою енергією, енергія цієї частинки та її імпульс, очевидно, зміняться. Таким чином, після здійснення вимірювання ви можете знати позицію частинки на момент вимірювання, проте в результаті освітлення частинки ви наділили її величезним діапазоном можливих енергій та імпульсів.

Ось чому багато хто плутає відношення невизначеності Гайзенберга з тим, що нині широко відоме як «ефект спостерігача» у квантовій механіці. Проте, як має продемонструвати наведений мною приклад, за своєю суттю принцип невизначеності Гайзенберга не має нічого спільного зі спостереженнями. Перефразуючи мого приятеля, якби свідомість мала якийсь стосунок до визначення результатів квантовофізичних експериментів, то, доповідаючи про результати фізичних експериментів, ми мали б обговорювати те, про що під час здійснення експерименту думав експериментатор, скажімо, секс. Але ми цього не робимо. Вибухи наднових, які породили атоми, з яких складаються наші з вами тіла, відбулися ну дуже задовго до виникнення нашої свідомості.

Принцип невизначеності Гайзенберга всіма сторонами є уособленням повного краху нашого класичного світогляду щодо природи. Незалежно від будь-якої технології, яку ми коли-небудь розробимо, природа накладає абсолютне обмеження на нашу здатність дізнатися з яким би не було ступенем упевненості одночасно імпульс та місцезнаходження будь-якої частинки.

Проте проблема ще гостріша, ніж випливає з такого твердження. Знання не має до цього жодного стосунку. Як зазначалося вище, під час опису експерименту з двома щілинами, частинка жодною мірою в жодний момент часу не має одночасно конкретного місцезнаходження й конкретного імпульсу. Вона має широкий спектр обох одночасно, доки ми не виміряємо і таким чином не зафіксуємо принаймні один із цих параметрів у певному малому діапазоні, що залежить від нашого вимірювального обладнання.

* * *

Наступний після Гайзенберга крок у відкритті квантового божевілля реальності зробив малоприємний дослідник – Поль Адрієн Моріс Дірак. Утім, у певному сенсі Дірак ідеально підходив для цього. Як начебто пізніше казав про нього Ейнштейн, «це просто жахливе балансування на запаморочливій межі між генієм і божевіллям».

Коли я думаю про Дірака, одразу згадую бородатий анекдот. Маленький хлопчик ніколи не розмовляв, і батьки зверталися по допомогу до численних лікарів, проте все було марно. Нарешті на свій четвертий день народження хлопчик сідає снідати, підіймає очі на батьків і каже: «Цей тост холодний!» Батьки ледь не божеволіють від радощів, обіймаються та запитують його, чого він раніше нічого не казав. А той відповідає: «Досі мене все влаштовувало».

Дірак був страшенно лаконічним, і ходить безліч байок про його небажання підтримувати хоч якісь дотепні бесіди, а також про те, що він, здавалося, сприймав усе, що йому кажуть, буквально. Розповідають, що одного разу, коли Дірак під час лекції писав на дошці, хтось з аудиторії підняв руку й сказав: «Я не розумію оцей крок, який ви щойно написали». Дірак дуже довго стояв мовчки, аж доки слухач не запитав його, чи збирається він відповідати на запитання. На що Дірак сказав: «Не було ніякого запитання».

Якось я по-справжньому розмовляв із Діраком по телефону, і це був жах. Я був іще студентом і хотів запросити його на зустріч, яку організовував для студентів по всій країні. Я зробив помилку, зателефонувавши йому одразу після заняття з квантової механіки, і це додало жаху. Коли я вибовкнув своє недолуге прохання, він якийсь час мовчав, а тоді відповів одним простим рядком: «Ні, не думаю, що в мене є що сказати студентам».

Утім, якщо облишити особистість, Дірак проявляв що завгодно, крім сором’язливості, у своїх пошуках нового Святого Граалю: математичної формули, що могла б об’єднати дві нові революційні розробки ХХ століття: квантову механіку й теорію відносності. Попри численні спроби після Шрьодінґера (який вивів своє знамените хвильове рівняння впродовж двотижневого побачення в горах із кількома зі своїх подружок) та відколи Гайзенберг розкрив базисні підвалини квантової механіки, нікому не вдавалося повністю пояснити поведінку електронів, захованих глибоко всередині атомів.

Ці електрони, як правило, мають швидкості, не набагато менші за швидкість світла, тож для їхнього опису необхідно скористатися спеціальною теорією відносності. Рівняння Шрьодінґера гарно працювало для опису енергетичних рівнів електронів на зовнішніх частинах простих атомів на кшталт водню, де воно слугувало квантовим розширенням ньютонівської фізики. Проте цей опис не підходив, коли слід було враховувати релятивістські ефекти.

Зрештою Дірак досяг успіху там, де зазнали невдачі інші, і не дивно, що його рівняння, одне з найважливіших у сучасній фізиці елементарних частинок, називається рівнянням Дірака. (Кілька років по тому, коли Дірак уперше зустрів фізика Річарда Фейнмана, до якого ми незабаром дійдемо, Дірак після звичної для себе ніякової паузи сказав: «У мене є рівняння. А у вас?»)

Рівняння Дірака було прекрасним, і, як перше релятивістське дослідження електрона, дало змогу правильно й точно передбачати енергетичні рівні всіх електронів в атомах, частоти випромінюваного ними світла і, таким чином, природу всіх атомних спектрів. Проте в цього рівняння була фундаментальна проблема. Воно, таке враження, передбачало існування нових, неіснуючих частинок.

Для створення математичного апарату, необхідного для опису електрона, що рухається з релятивістськими швидкостями, Діраку довелося ввести повністю новий формалізм, який використовував для опису електронів чотири різні величини.

Наскільки ми, фізики, можемо судити, електрони є мікроскопічними точковими частинками з практично нульовим радіусом. Проте у квантовій механіці вони поводяться, як дзиґи, що обертаються, і, мають те, що фізики називають моментом імпульсу. Момент імпульсу відображає те, що тільки-но об’єкти починають обертатися, вони не зупиняться, доки до них не буде застосована якась гальмівна сила. Чим швидше вони обертаються або чим вони масивніші, тим більший вони мають момент імпульсу.

На жаль, не існує жодного класичного способу зобразити точкоподібний об’єкт на кшталт електрона таким, що обертається навколо своєї осі. Отже, обертання частинок є одним з аспектів квантової механіки, для якого банально не існує інтуїтивного класичного аналога. У Діраковому релятивістському розширенні рівняння Шрьодінґера електрони здатні мати лише два можливі значення моменту імпульсу, який ми звемо просто їхнім спіном. Вважайте, що електрони можуть обертатися або в одному напрямку, який ми називаємо «вгору», або в протилежному, який ми називаємо «вниз». Через це для опису конфігурації електронів потрібні дві величини, одна для електронів із верхнім спіном, а друга – для електронів із нижнім спіном.

Після деякого початкового замішання стало зрозуміло, що дві інші величини, необхідні Діраку для опису електронів у своєму релятивістському формулюванні квантової механіки, на перший погляд описували щось божевільне – інший варіант електронів із такою ж масою та спіном, проте з протилежним електричним зарядом. Оскільки електрони за визначенням мають негативний заряд, ці нові частинки повинні були б мати позитивний заряд.

Дірак був спантеличений. Такої частинки ніхто ніколи не спостерігав. Піддавшись відчаю, Дірак припустив, що позитивно зарядженою частинкою, яку описує його теорія, може бути протон, маса якого, утім, у дві тисячі разів більша за масу електрона. Він навів кілька простацьких аргументів на користь того, що позитивно заряджена частинка може набувати більшої маси. Більша маса могла бути зумовлена іншими можливими електромагнітними взаємодіями між нею й порожнім без неї простором, який, як він передбачав, може бути наповнений потенційно необмеженим океаном неспостережуваних частинок. Насправді це не настільки божевільний варіант, як здається, проте пояснення цього вимагатиме від нас певних викрутасів, яких ми воліли б уникнути. Хай там як, швидко з’ясувалося, що ця ідея не витримує критики: по-перше, проти цього була математика, згідно з якою нові частинки повинні були мати таку ж масу, що й електрони; по-друге, якби протон та електрон були в деякому сенсі дзеркальними відображеннями, вони б анігілювали один одного, і нейтральна матерія не могла б бути стабільною. Дірак був змушений визнати, що якщо його теорія правильна, то десь у природі має існувати нова позитивна версія електрона.

На Діракове щастя, не минуло й року від його покірної капітуляції, як Карл Андерсон виявив у космічних променях частинки, ідентичні електронам, проте з протилежним зарядом. Так народився позитрон, і за свідченнями очевидців Дірак відреагував на свою неготовність сприйняти наслідки власних математичних викладок фразою: «Моє рівняння виявилося розумнішим за мене!» Значно пізніше він начебто навів іншу причину невизнання можливості існування нової частинки: «Чистої води боягузтво».

«Передбачення» Дірака, хай навіть неохоче, стало визначною віхою. Уперше існування нової частинки було передбачене суто на основі теоретичних уявлень, що постали з математики. Задумайтеся над цим.

Максвелл «післяпобачив» існування світла в результаті свого об’єднання електрики й магнетизму. Левер’є передбачив існування Нептуна на основі спостережень аномалій орбіти Урану. Але тут ми маємо справу з передбаченням нової основної риси всесвіту на основі суто теоретичних тверджень про природу в її найфундаментальніших масштабах, без попередньої безпосередньої експериментальної мотивації. Може здатися, що це було питанням віри, проте це не так – зрештою, сам автор ідеї в неї не повірив. І хоча подібно до віри це передбачення описувало неспостережувану реальність, на відміну від віри, воно описувало реальність, яку можна було протестувати й спростувати його.

Відкриття Ейнштейном відносності докорінно змінило наші уявлення про простір і час, а відкриття законів квантової механіки Шрьодінґером та Гайзенбергом докорінно змінило наші уявлення про атоми. Уперше поєднавши їх, Дірак прорубав нове вікно в приховану природу матерії в значно менших масштабах. Воно сповістило про початок сучасної ери у фізиці елементарних частинок, задавши тренд, який тривав майже століття.

По-перше, якщо більш узагальнено застосувати рівняння Дірака до інших частинок, а жодного приводу вважати, що цього робити не можна, нема, то «античастинки», як їх назвуть пізніше, з’являться не лише в електрона, а й в інших відомих частинок, що трапляються в природі.

Антиматерія стала атрибутом наукової фантастики. Паливом космічних кораблів на кшталт «Ентерпрайзу» із «Зоряного шляху» неодмінно слугує антиматерія, а можливість побудови антиматеріальної бомби була найдурнішим елементом сюжету нещодавнього детективного трилера «Янголи та демони». Проте антиматерія реальна. У космічних променях було знайдено не лише позитрон; згодом там виявили також антипротони та антинейтрони.

На фундаментальному рівні нічого особливо дивного в антиматерії немає. Зрештою позитрони – це ті самі електрони, тільки з протилежним зарядом. Усупереч поширеній думці, вони не падають «угору» у гравітаційному полі. Матерія й антиматерія можуть взаємодіяти й повністю анігілювати в чисте випромінювання, що виглядає лиховісно. Проте частинко-античастинкова анігіляція – лише один із купи нових можливих способів взаємодії елементарних частинок, який може мати місце при переході на субатомний рівень. Мало того, для анігіляції обсягу матерії, достатнього для виробництва енергії, якої вистачить на запалення лампочки, потрібно накопичити дуже багато антиматерії.

Зрештою, саме тому антиматерія дивна. Вона дивна, оскільки всесвіт, у якому ми живемо, наповнений матерією, а не антиматерією. Усесвіт, зроблений з антиматерії, виглядав би ідентичним нашому. А всесвіт із рівних об’ємів матерії та антиматерії – який, якщо вже на те пішло, видається найприроднішим з усіх усесвітів – був би, якби не сталося чогось непередбачуваного, дуже нудним, адже матерія та антиматерія давним-давно анігілювали б одна одну, і нині такий усесвіт не містив би нічого, крім випромінювання.

Питання, чому наш світ сповнений матерії, а не антиматерії, залишається одним із найцікавіших у сучасній фізиці. Проте коли я зрозумів, що справжня причина, чому антиматерія дивна, полягає лише в тому, що ми ніколи з нею не стикаємося, мені спала на думку така аналогія. Антиматерія дивна в тому ж сенсі, у якому дивні бельгійці. Звісно, вони не дивні самі по собі, але якщо ви подібно до мене коли-небудь зверталися до повної аудиторії людей і просили бельгійців підняти руки, то жодних піднятих рук майже ніколи не було.

За винятком того нещодавнього разу, коли я виступав із лекцією в Бельгії, де мою аналогію сприйняли не надто схвально.

Розділ 8

Складки часу

Бо /ви/ це пара, що на хвильку з’являється, а потім зникає!..

Якова 4:14

З часів Галілея кожен виявлений прихований зв’язок у природі спрямовував фізику в нові сторони. Об’єднання електрики й магнетизму виявило приховану природу світла. Об’єднання світла із законами руху Галілея виявило втілені в теорії відносності приховані взаємозв’язки між простором і часом. Об’єднання світла й матерії виявило дивний квантовий всесвіт. А об’єднання квантової механіки з теорією відносності виявило існування античастинок.

Відкриття античастинок Діраком стало наслідком його «вгадування» правильного рівняння для опису релятивістських квантових взаємодій електронів з електромагнітними полями. Йому бракувало фізичної інтуїції для її обґрунтування, і саме це було однією з причин, чому сам Дірак та інші спершу поставилися до його здобутку настільки скептично. Прояснення фізичного імперативу для антиматерії стало результатом роботи одного з найважливіших фізиків другої половини ХХ століття – Річарда Фейнмана.

Годі шукати когось менш схожого на Дірака, ніж Фейнман. Тоді як Дірак був до крайнощів неговірким, Фейнман був товариським та чарівним оповідачем. Тоді як Дірак навмисно жартував зрідка, якщо взагалі коли-небудь, Фейнман був пустуном, який відверто насолоджувався всіма аспектами життя. Тоді як Дірак був занадто сором’язливий, щоб зустрічатися з жінками, Фейнман після смерті першої дружини вишукував найрізноманітніших подруг. Утім, фізика зводить разом дуже дивні пари, тож Фейнман із Діраком навіки залишаться інтелектуально зв’язаними – знову ж таки світлом. Разом вони сприяли завершенню опису довгоочікуваної квантової теорії випромінювання.

Фейнман належав до наступного після Дірака покоління й благоговів перед ним, називаючи його одним зі своїх героїв-фізиків. Тож природно, що коротка стаття Дірака, написана 1939 року, у якій він запропонував новий підхід до квантової механіки, надихнула Фейнмана на працю, яка зрештою принесла йому Нобелівську премію.

Гайзенберг та Шрьодінґер пояснювали, як системи квантовомеханічно поводяться, відштовхуючись від деякого вихідного стану системи й обчислюючи її зміни з плином часу. Проте знову ж таки світло надає ключ до іншого способу розгляду квантових систем.

Ми призвичаїлися вважати світло таким, що завжди поширюється прямолінійно. Проте це не так. Доказом цього є міражі, які ви спостерігаєте спекотними днями на довгих прямих шосе. Дорога попереду здається вологою, оскільки світло з неба рефрактує, заломлюючись у результаті проходження крізь велику кількість послідовних шарів теплого повітря біля поверхні дороги, а вже потім знову йде вгору й дістається вашого ока.

1650 року французький математик П’єр де Ферма продемонстрував інший підхід до розуміння цього феномену. У теплому, більш розрідженому повітрі світло поширюється швидше, ніж у холодному. Оскільки біля землі повітря найтепліше, світлу потрібно менше часу для досягнення вашого ока, якщо біля землі воно йде вниз, а тоді піднімається назад до вашого ока, аніж якби воно йшло до вашого ока по прямій. Ферма сформулював принцип, який дістав назву принципу найменшого часу, який стверджує, що для визначення кінцевої траєкторії будь-якого світлового променя треба лише дослідити всі можливі шляхи від А до Б та обрати той, який забере найменше часу.

Такі формулювання можуть справити враження, що світло наділене волею, і я подолав спокусу написати, що світло переглядає всі шляхи та обирає той, що займе найменше часу, оскільки був абсолютно впевнений, що Діпак Чопра пізніше цитував би це як моє визнання наявності у світла свідомості. Світло не має свідомості, проте математичний результат справляє враження, ніби світло обирає найкоротшу відстань.

Тепер пригадаймо, що у квантовій механіці світлові промені й електрони поводяться не так, ніби вони обирають для переміщення з одного місця в інше якусь одну траєкторію – вони обирають усі можливі траєкторії одночасно. Кожна траєкторія має певну ймовірність бути виміряною, і класична траєкторія, яка займає найменше часу, має найбільшу ймовірність з-поміж усіх.

1939 року Дірак запропонував спосіб обрахунку цих усіх імовірностей та їхнього підсумування для визначення квантовомеханічної ймовірності того, що частинка, яка вирушає з точки А, опиниться в точці Б. Річард Фейнман, тоді ще магістрант, дізнавшись про статтю Дірака на пивній вечірці, математично вивів конкретний приклад, який демонстрував, що ця ідея працює. Відштовхуючись від Діракових підказок, Фейнман вивів результати, ідентичні до тих, які можна було вивести з варіантів Шрьодінґера чи Гайзенберга, принаймні в простих випадках. Мало того, Фейнман міг використовувати цю нову формулу «суми по шляхах» для роботи з квантовими системами, які було складно описувати чи аналізувати за допомогою інших методів.

Зрештою Фейнман відшліфував свою математичну методику достатньо, щоб посприяти просуванню релятивістського рівняння Дірака для квантової поведінки електронів та сформулювати повністю узгоджену квантовомеханічну теорію взаємодії між електронами й світлом. За цю роботу, яка заклала підвалини теорії, відомої під назвою квантової електродинаміки (КЕД), він 1965 року спільно з Джуліаном Швінґером та Синітіро Томонагою отримав Нобелівську премію.

Утім, іще до завершення цієї роботи Фейнман описав інтуїтивну фізичну причину, чому теорія відносності в поєднанні з квантовою механікою вимагає існування античастинок.

Розглянемо електрон, який рухається однією з можливих «квантових» траєкторій. Що це означає? Доки я не вимірюю електрон, поки той рухається, він рухається всіма можливими траєкторіями, зокрема траєкторіями, що є класично недопустимими, оскільки вони порушили б правила на кшталт обмеження, що об’єкти не можуть пересуватися швидше за світло (що випливає з теорії відносності). Далі принцип невизначеності Гайзенберга каже, що, навіть якщо я спробую виміряти електрон у процесі руху траєкторією впродовж деякого короткого проміжку часу, я ніколи не зможу позбутися певної притаманної його швидкості невизначеності. Отже, навіть вимірявши цю траєкторію в кількох точках, я не зможу виключити наявності впродовж цих інтервалів деякої химерної некласичної поведінки. Тепер уявімо траєкторію, показану нижче:

Упродовж короткого проміжку посередині показаного часового відрізка електрон рухається зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.

Проте Ейнштейн каже нам, що час – річ відносна й різні спостерігачі виміряють різні інтервали між двома подіями. Тож, якщо в одній системі відліку частинка рухається швидше за світло, в іншій системі відліку вона виявиться такою, що мандрує назад у часі, як показано нижче (це одна з причин, чому теорія відносності допускає рух будь-яких спостережуваних частинок винятково зі швидкостями, меншими або рівними швидкості світла):

Фейнман зрозумів: у другій системі відліку здаватиметься, що електрон деякий час рухається вперед у часі, тоді деякий час назад у часі, а тоді знову вперед у часі. Але як виглядатиме електрон, що рухається назад у часі? Оскільки електрон заряджений негативно, негативний заряд, який рухається назад у часі праворуч, еквівалентний позитивному заряду, що рухається вперед у часі ліворуч. Таким чином, попередній рисунок еквівалентний такому:

На цьому рисунку спершу маємо електрон, який рухається вперед у часі, а через деякий час нізвідки виникають іще один електрон і частинка, схожа на електрон, проте з протилежним зарядом, і позитивно заряджена частинка рухається ліворуч і знов-таки вперед у часі, доки не стикається з початковим електроном, у результаті чого вони анігілюють і залишається тільки другий електрон, який продовжує свій рух.

Усе це відбувається на часових масштабах, які неможливо спостерігати безпосередньо, бо, якби це було можливо, така дивна поведінка, що порушує постулати теорії відносності, була б неможлива. Зрештою, можете бути певні, що такі процеси безперервно відбуваються всередині сторінки книги, яку ви зараз читаєте, чи під екраном вашої електронної читалки.

Утім, якщо така траєкторія можлива в невидимому квантовому світі, то у видимому світі повинні існувати античастинки – частинки, ідентичні відомим частинкам, проте з протилежним електричним зарядом (які в рівняннях цієї теорії з’являються у вигляді частинок, що мандрують у часі назад). Також це вможливлює появу пар «частинка – античастинка» з нічого за умови, що вони анігілюють упродовж достатньо короткого періоду часу, щоб їхнє існування було неможливо зафіксувати.

Міркуючи таким чином, Фейнман не лише надав фізичне обґрунтування існування античастинок, необхідне для об’єднання теорії відносності й квантової механіки, а й продемонстрував, що в жоден момент часу ми не можемо стверджувати, що на деякій ділянці наявні лише одна чи дві частинки. На закоротких для вимірювання часових масштабах може спонтанно виникати й зникати потенційно нескінченна кількість «віртуальних» пар «частинка – античастинка» – пар частинок, чиє існування настільки швидкоплинне, що їх неможливо спостерігати безпосередньо.

Усе це звучить настільки дико, що має викликати у вас скепсис. Урешті-решт, якщо ми не можемо безпосередньо зафіксувати ці віртуальні частинки, як можна стверджувати, що вони взагалі існують?

Відповідь звучить так: хоча ми неспроможні безпосередньо засікти вплив цих віртуальних пар «частинка – античастинка», можемо опосередковано зробити висновок про їх наявність, оскільки вони здатні опосередковано впливати на властивості систем, які ми спроможні спостерігати.

Теорія, яка охоплює ці віртуальні частинки разом з електромагнітними взаємодіями електронів і позитронів, дістала назву квантової електродинаміки й наразі є нашою найкращою науковою теорією. Передбачення на основі цієї теорії порівнювалися зі спостереженнями й збіглися з ними з точністю до більш ніж десяти знаків після коми. Подібний рівень точності збігу спостереження з передбаченням на основі безпосереднього застосування фундаментальних принципів у найбільш базових масштабах, які тільки можна описати, недосяжний у жодній іншій галузі науки.

Проте таке узгодження теорії зі спостереженнями можливе лише тоді, коли враховуються впливи віртуальних частинок. Урешті-решт із самого феномену віртуальних частинок випливає, що у квантовій теорії сили взаємодії частинок завжди передаються шляхом обміну віртуальними частинками в спосіб, який буде описано нижче.

У квантовій електродинаміці електромагнітні взаємодії відбуваються шляхом поглинання чи випромінювання квантів електромагнетизму, себто фотонів. За Фейнманом цю взаємодію можна зобразити у вигляді електрона, який випромінює хвилястий «віртуальний» фотон (g) і змінює напрямок руху:

Тоді електричну взаємодію між двома електронами можна зобразити так:

У цьому випадку електрони взаємодіють один з одним шляхом обміну віртуальним фотоном, який спонтанно випромінюється електроном ліворуч і поглинається іншим електроном упродовж настільки короткого часу, що цей фотон неможливо спостерігати. Унаслідок взаємодії електрони взаємовідштовхуються й віддаляються один від одного.

Це також пояснює, чому електромагнетизм є далекосяжною силою. Принцип невизначеності Гайзенберга стверджує, що, якщо вимірювати систему впродовж деякого проміжку часу, виникне пов’язана з цим невизначеність виміряної енергії системи. Мало того, зі збільшенням відрізка часу пов’язана з цим невизначеність енергії меншає. Оскільки фотон не має маси, то, скориставшись Ейнштейновим відношенням між масою й енергією, отримаємо, що в момент створення безмасовий фотон може нести необмежено малу кількість енергії. Це означає, що до поглинання він може рухатися впродовж необмежено тривалого часу – а отже, подолати необмежено велику відстань – і все одно буде захищений принципом невизначеності, оскільки енергія, яку він може нести, настільки мала, що жодного помітного порушення закону збереження енергії не станеться. Таким чином, електрон на Землі може випромінити віртуальний фотон, який зможе долетіти до Альфи Центавра, яка перебуває на відстані чотирьох світлових років, і там із силою подіяти на електрон, який його поглине. Проте якби фотони були не безмасовими, а мали якусь масу спокою m, вони могли б нести в собі якусь мінімальну кількість енергії, що визначалася б за формулою E = mc2, а отже, були б здатні подолати лише скінченну відстань (себто рухатися впродовж скінченного відрізка часу) перед тим, як вони мали б бути обов’язково поглинуті, аби не спричинити жодного видимого порушення закону збереження енергії.

Проте з цими віртуальними частинками пов’язана потенційна проблема. Якщо можна обмінюватися однією частинкою чи якщо спонтанно з вакууму може виникнути одна пара «частинка – античастинка», чому їх не може бути дві, три чи взагалі нескінченна кількість? Мало того, якщо віртуальні частинки повинні зникнути за час, обернено пропорційний енергії, яку вони переносять, що заважає частинкам вигулькувати з нічого, несучи необмежено велику кількість енергії та існуючи впродовж необмежено малого проміжку часу?

Коли фізики спробували врахувати ці наслідки у своїх обрахунках, вони дістали нескінченні результати.

Рішення? Не зважати на них.

Хоча не те щоб не зважати, а радше систематично ховати нескінченні елементи обчислень під ковдру, залишаючи тільки скінченні. Тут прямо-таки напрошується питання: як дізнатися, які саме скінченні частини лишити й чому вся ця процедура взагалі виправдана?

На формулювання відповіді знадобилося багацько років, і Фейнман був одним із членів групи, яка з цим упоралася. Проте впродовж багатьох наступних років, аж до самого здобуття в 1965-му Нобелівської премії він розглядав усю цю роботу як якийсь фокус та вважав, що рано чи пізно буде знайдено більш фундаментальне розв’язання.

Утім, є вагома причина ігнорувати нескінченності, спричинені віртуальними частинками з довільно високими енергіями. Через принцип невизначеності Гайзенберга ці енергетичні частинки до свого зникнення можуть долати лише короткі відстані. Тож як ми можемо бути впевнені, що наші фізичні теорії, розроблені для пояснення явищ на масштабах, які ми наразі здатні виміряти, працюють аналогічним чином і на цих дуже малих масштабах? Що, як на дуже малих масштабах значущими стають нова фізика, нові сили та нові елементарні частинки?

Якби для пояснення явищ на значно більших масштабах, підвладних нашим чуттям, нам було б необхідно знати всі закони фізики аж до нескінченно малих масштабів, фізика була б безнадійною. Для створення хоча б якоїсь теорії чогось нам була б необхідна теорія всього.

Натомість обґрунтовані фізичні теорії мають бути нечутливими до будь-якої нової фізики, що має місце на масштабах, значно менших за ті, для опису яких були розроблені початкові теорії. Ми називаємо такі теорії ренормалізованими, оскільки «ренормалізуємо» нескінченні в іншому випадку передбачення, позбуваючись нескінченостей і залишаючи тільки скінченні, почуттєві відповіді.

Проте одна справа проголосити, що це необхідно. Довести, що це можливо, це вже зовсім інше. На відпрацювання цієї процедури знадобилося багато часу. У першому конкретному прикладі, який засвідчував, що це має сенс, було ретельно обраховано енергетичні рівні атомів водню, на основі чого було правильно передбачено виміряний у лабораторних умовах спектр світла, яке ці атоми випромінювали й поглинали.

Хоча Фейнман і його колеги по Нобелівській премії роз’яснили механізм математичної імплементації цієї методики ренормалізації, доведення, що квантова електродинаміка (КЕД) є «ренормалізованою» теорією, що дає можливість робити точні передбачення всіх фізичних величин, які тільки можна в рамках цієї теорії виміряти, було завершено Фріменом Дайсоном. Його доведення надало КЕД безпрецедентний статус у фізиці. КЕД надавала повну теорію квантових взаємодій електронів і світла з передбаченнями, які можна було порівнювати зі спостереженнями з необмежено високою точністю, обмеженою лише енергійністю та цілеспрямованістю теоретиків, які проводили обчислення. Як наслідок ми здатні неймовірно точно передбачити спектри випроміненого атомами світла й розробляти лазерні системи й атомні годинники, які змусили нас переосмислити поняття точності вимірювань відстані й часу. Передбачення КЕД настільки точні, що у своїх експериментах ми можемо шукати найменші відхилення від них, зондуючи ґрунт на предмет нової фізики, яка може постати за дослідження дедалі менших масштабів відстані й часу.

Нині, п’ятдесят років по тому, ми заднім числом розуміємо, що квантова електродинаміка є настільки визначною фізичною теорією почасти через пов’язану з нею «симетрію». Симетрії у фізиці дозволяють розкопувати глибинні характеристики фізичної реальності. Віднині й упродовж усього передбачуваного майбутнього саме пошук симетрій визначатиме прогрес фізики.

Симетрії відображають той факт, що зміна фундаментальних математичних величин, які описують фізичний світ, не приводить до зміни того, як наш світ функціонує чи виглядає. Наприклад, сферу можна повернути в будь-якому напрямку на довільний кут, і вона все одно виглядатиме так само. Ніякі фізичні параметри сфери не залежать від її орієнтації. Той факт, що закони фізики залишаються однаковими в різних місцях та в різні періоди часу, має величезне значення. Симетричність фізичних законів у часі – себто закони фізики ніяк не змінюються з часом – має наслідком закон збереження енергії у фізичному всесвіті.

Одна з фундаментальних симетрій у квантовій електродинаміці стосується природи електричних зарядів. Загальноприйняті позначення «позитивний» і «негативний» абсолютно довільні. Можна замінити всі позитивні заряди у всесвіті негативними й навпаки, і всесвіт виглядатиме й поводитиметься точнісінько так само.

Уявімо, наприклад, що світ являє собою велетенську шахівницю з чорними та білими клітинками. Якщо перефарбувати чорні клітини в білий колір, а білі – у чорний, гра в шахи зовсім не зміниться. Білі фігури стануть чорними, і навпаки, і шахівниця виглядатиме так само.

Саме через цю симетрію природи зберігається електричний заряд: у жодному процесі навіть за законами квантової механіки не може спонтанно виникнути позитивний чи негативний заряд без одночасного виникнення протилежного заряду. З цієї причини віртуальні частинки спонтанно виникають на вільному місці в комбінації з античастинками. І саме з цієї причини на Землі трапляються грози. Електричні заряди нагромаджуються на поверхні землі, оскільки грозові хмари накопичують у собі великі негативні заряди. Єдиний спосіб позбутися цього заряду – влаштувати сильні потоки струму із землі до неба.

Закон збереження заряду, що є наслідком цієї симетрії, можна зрозуміти за допомогою тієї ж аналогії з шахівницею. Той факт, що поруч із кожною білою клітиною має бути чорна, означає, що, якщо поміняти місцями білий і чорний кольори, дошка по суті виглядатиме так само. Якби на ній були дві поспіль чорні клітини, тобто дошка мала б деяку середньозважену «чорноту», «чорний» і «білий» уже не були б рівноправними довільними позначеннями. Чорний фізично відрізнявся б від білого. Одне слово, на такій дошці порушилася б симетрія між чорним і білим.

А тепер наберіться терпіння, адже я збираюся познайомити вас зі значно менш очевидною, проте набагато важливішою концепцією. Вона важлива настільки, що на ній ґрунтується, по суті, уся сучасна фізична теорія. Проте вона настільки неочевидна, що її важко описати без використання математики. Вона настільки неочевидна, що її наслідки віднаходять і досі, хоча відтоді, як її було запропоновано вперше, минуло понад сто років. Тож не дивуйтеся, якщо для повноцінного засвоєння цієї ідеї вам знадобиться перечитати текст декілька разів. У фізиків на її засвоєння пішла значна частина минулого століття.

З маловідомої історичної причини, про яку я розповім трохи згодом, ця симетрія називається калібрувальною симетрією. Проте не зважаймо на таку дивну назву. Важливим є те, що з цієї симетрії випливає.

Калібрувальна симетрія в електромагнетизмі стверджує, що насправді я можу змінити своє визначення, що таке позитивний заряд, локально в кожній точці простору, не змінюючи при цьому фундаментальні закони, пов’язані з електричним зарядом, за умови, що я якимось чином запроваджу деяку величину для відслідковування зміни цього визначення залежно від точки. Виявляється, що ця величина і є електромагнітним полем.

Спробуємо розшифрувати це за допомогою аналогії з шахівницею. Описана перед цим глобальна симетрія міняє чорні клітини на білі всюди, тож, якщо після цього повернути шахівницю на 180 градусів, вона виглядатиме так само, як і раніше, і на гру в шахи це вочевидь жодним чином не вплине.

Тепер уявімо собі, що натомість я замінив чорний колір на білий в одній клітині, а колір сусідньої клітини не змінив. Тоді на дошці буде дві сусідні білі клітини. Така дошка з двома сусідніми білими клітинами аж ніяк не виглядатиме так само, як раніше. У гру більше не можна грати так, як перед цим.

Утім, постривайте. А що, коли в мене є інструкція, у якій написано, як мають поводитися фігури щоразу, як потрапляють на сусідні клітини, одна з яких змінила колір, а друга – ні. У такому разі правила гри можуть лишитися такими самими за умови, що перед кожним ходом я звіряюся з інструкцією. Отже, інструкція дозволяє грати так, наче нічого не змінилося.

У математиці величина, яка описує певне правило, пов’язане з кожною точкою поверхні на кшталт шахівниці, називається функцією. У фізиці функція, визначена в кожній точці нашого фізичного простору, називається полем, таким як, скажімо, електромагнітне поле, яке описує, наскільки великими є в кожній точці простору електрична й магнітна сили.

А тепер родзинка. Властивості, які мають характеризувати форму необхідної функції (яка дозволить нам змінювати наше визначення електромагнітного заряду залежно від місця без зміни базисних фізичних принципів, що визначають взаємодію електричних зарядів), є точно тими, які характеризують форму правил, що керують електромагнітними полями.

Іншими словами, вимога, щоб закони природи залишалися інваріантними за калібрувального перетворення – себто певного перетворення, яке локально змінює те, що я називаю позитивним чи негативним зарядом, – однаково вимагає існування електромагнітного поля, строго керованого рівняннями Максвелла. Отже, так звана калібрувальна інваріантність повністю визначає природу електромагнетизму.

Це ставить перед нами цікаве філософське запитання. Що є більш фундаментальним: симетрія чи фізичні рівняння, у яких проявляється симетрія? Якщо перше, тобто що саме ця калібрувальна симетрія природи вимагає існування фотонів, світла й усіх рівнянь і феноменів, які вперше відкрили Максвелл і Фарадей, тоді позірний наказ Бога «Хай станеться світло!» стає ідентичним наказу «Хай електромагнетизм має калібрувальну симетрію». Можливо, не так промовисто, але принаймні правдиво.

Або ж можна сказати, що теорія є тим, чим вона є, а відкриття математичної симетрії в її наріжних рівняннях є щасливою випадковістю.

Різниця між цими точками зору видається головним чином семантичною, і саме тому нею могли б зацікавитися філософи. Проте природа дає нам деякі підказки. Якби квантова електродинаміка була єдиною теорією в природі, для якої характерна така симетрія, другий варіант виглядав би більш обґрунтованим.

Проте кожна відома теорія, яка описує природу у фундаментальному масштабі, відображає певний тип калібрувальної симетрії. Як наслідок нині фізики схильні вважати симетрії природи фундаментальними, а відповідно, теорії, які описують природу, обмеженими за формою задля відповідності цим симетріям, що, своєю чергою, відображає деякі ключові, базові математичні риси фізичного всесвіту.

Що хтось би собі не думав із приводу цього епістемологічного питання, зрештою для фізиків має значення лише те, що відкриття й застосування цієї математичної симетрії, калібрувальної симетрії, дало нам змогу дізнатися більше про природу реальності в її найменших масштабах за будь-яку іншу ідею в науці. Як наслідок усі спроби вийти за межі нашого поточного розуміння чотирьох сил природи: електромагнетизму, двох сил, пов’язаних з атомним ядром (сильна та слабка взаємодія), з якими ми невдовзі познайомимося, і гравітації, зокрема спроба створити квантову теорію гравітації, ґрунтуються на математичних засадах калібрувальної симетрії.

* * *

Дивна назва калібрувальної симетрії мало пов’язана з квантовою електродинамікою і є анахронізмом, пов’язаним із властивістю загальної теорії відносності Ейнштейна, якій, як і всім іншим фундаментальним теоріям, також властива калібрувальна симетрія. Ейнштейн показав, що для опису навколишнього простору ми вільні обирати таку локальну систему координат, яку заманеться, проте функція, або поле, котра каже нам, як поєднати ці координатні системи залежно від точки, пов’язана з базисною кривизною простору, яка визначається енергією та імпульсом матерії в просторі. Взаємодія цього поля, яке ми позначаємо як гравітаційне поле, з матерією точно визначена інваріантністю геометрії простору під час вибору різних координатних систем.

Ця симетрія загальної теорії відносності надихнула математика Германа Вейля на ідею, що й форма електромагнетизму також може відображати базисну симетрію, пов’язану з фізичними змінами масштабів довжин. Він назвав їх різними «калібруваннями» за аналогією з різними шаблонами ширини залізничної колії (як бачимо, Ейнштейн та Шелдон із «Теорії Великого вибуху» не єдині фізики, яких надихали поїзди). Хоча здогад Вейля виявився неправильним: симетрія, насправді характерна для електромагнетизму, стала відомою під назвою калібрувальної симетрії.

Якою б не була етимологія цієї назви, калібрувальна симетрія стала найважливішою з відомих нам симетрій у природі. З квантової точки зору – себто у квантовій теорії електромагнетизму, квантовій електродинаміці – існування калібрувальної симетрії має ще більше значення. Це ключова риса, яка гарантує, що КЕД має сенс.

Якщо замислитися над природою симетрії, то стає зрозумілим, чому така симетрія може слугувати гарантією, що квантова електродинаміка має сенс. Наприклад, симетрії кажуть нам, що різні частини природного світу взаємопов’язані й що певні величини залишаються незмінними після різноманітних перетворень. Якщо повернути квадрат на 90 градусів, він виглядатиме так само, оскільки всі його сторони мають однакову довжину й усі його кути рівні між собою. Таким чином, симетрія може сказати нам, що різні математичні величини, які постають із фізичних обрахунків, такі як, приміром, параметри багатьох віртуальних частинок і багатьох віртуальних античастинок, можуть мати однакові значення. Вони також можуть мати протилежні знаки, щоб строго скорочуватися. Саме існування такої симетрії є тим, що може вимагати таких строгих скорочень.

Таким чином, можна уявити, що у квантовій електродинаміці неприємні доданки, часто нелінійні, які можуть привести до безкінечності в результаті, можуть взаємоскоротитися з іншими потенційно неприємними доданками, і безкінечність у результаті зникне. І саме це в КЕД і відбувається. Калібрувальна симетрія гарантує, що будь-які безкінечності, які могли б виникнути в процесі виведення фізичних формул, можна або взаємоскоротити, або, виходячи із симетрії, вони вийдуть за межі всіх фізично вимірюваних величин.

Цей винятково важливий результат, доведений десятиліттями роботи кількох найбільш творчих і талановитих фізиків-теоретиків світу, закріпив за КЕД статус найточнішої та найвидатнішої квантової теорії ХХ століття.

І тим сумніше було виявити, що, хоча ця математична краса дійсно надає переконливе розуміння однієї з фундаментальних сил природи, а саме електромагнетизму, під час розгляду сил, що визначають поведінку атомних ядер, починаються інші халепи.

Розділ 9

Розпад і звалища

…і немає нічого нового під сонцем!..

Екклезіяст 1:9

Коли я вперше дізнався, що ми, людські істоти, є радіоактивними, я був шокований. Я був у школі й слухав лекцію видатного полімата й астрофізика Томмі Ґолда, автора першопрохідницьких робіт із космології, пульсарів і селенології, і він проінформував нас, що частинки, які складають більшу частину маси нашого тіла, а саме нейтрони, є нестабільними із середнім часом життя приблизно десять хвилин.

Оскільки, як я сподіваюся, ви вже читаєте цю книгу більше десяти хвилин, вас це також може здивувати. Розв’язання цього вдаваного парадоксу є однією з найперших та найчудовіших з усіх витіюватих випадковостей природи, які уможливлюють наше з вами існування. У міру нашого занурення дедалі глибше в питання «Чому існуємо ми?» ця випадковість дедалі яскравіше вимальовуватиметься на горизонті. Хоча може здатися, що нейтрони не мають нічого спільного зі світлом, яке досі було головним героєм нашої оповіді, ми побачимо, що врешті-решт вони глибоко взаємопов’язані. Факт нейтронного розпаду, відповідальний за бета-розпад нестабільних ядер, змусив фізиків вийти за межі простих та вишуканих теорій світла й почати вивчення нових фундаментальних сфер усесвіту.

Проте я дещо забігаю вперед.

1929 року, коли Дірак уперше виписав свою теорію електронів і випромінювання, здавалося, що вона зрештою стане теорією майже всього. Єдиною іншою силою на майданчику, крім електромагнетизму, була гравітація, величезні кроки в розумінні якої щойно здійснив Ейнштейн. Множина елементарних частинок складалася з електронів, фотонів і протонів, з яких разом узятих складалися всі об’єкти, що здавалися необхідними для розуміння атомів, хімії, життя і всесвіту.

Відкриття античастинок трохи похитало човен, проте оскільки теорія Дірака їх ефективно передбачила (попри те, що самому Діраку довелося доростати до власної ж теорії), це нагадувало швидше «лежачого поліцейського» на дорозі до реальності, аніж завал чи відхилення від курсу.

Далі настав 1932 рік. До цього часу науковці виходили з того, що атоми складаються лише з протонів та електронів. Проте була невеличка проблема: маси атомів не сходилися. 1911 року Резерфорд відкрив існування атомного ядра – маленької ділянки, у сто тисяч разів меншої за радіус орбіт електронів, де була зосереджена майже вся маса атомів. Після цього відкриття стало зрозуміло, що маса важкого ядра трохи більш ніж удвічі перевищує масу, яку воно мало б мати, якщо кількість протонів у ядрі дорівнює кількості електронів на орбітах навколо нього, що необхідно для електричної нейтральності атомів.

Було запропоноване просте вирішення цієї головоломки. Насправді в ядрі перебуває удвічі більше протонів, ніж електронів навколо, проте всередині ядра утримується рівно стільки електронів, скільки потрібно, щоб сумарний електричний заряд атома дорівнював нулю.

Проте з квантової механіки випливало, що електрони не можуть утримуватися всередині ядра. Формальне обґрунтування цього вельми складне, проте в спрощеному вигляді звучить приблизно так: якщо елементарні частинки мають хвилеподібний характер, то для того, щоб утримати їх у «стійлі» на невеличкій ділянці, величина довжини їхньої хвилі має бути меншою за розмір цієї ділянки. Проте у квантовій механіці пов’язана з частинкою довжина хвилі обернено пропорційна до імпульсу цієї частинки, а отже, обернено пропорційна й до енергії, яку ця частинка несе. Якби електрони були обмежені ділянкою з розмірами атомного ядра, вони повинні були б мати енергію, у мільйони разів більшу за пов’язану з характеристичними енергіями, яку електрони випускають у результаті переходу з одного енергетичного рівня своїх атомних орбіт на інший.

Як же їм досягти таких енергій? Ніяк. Оскільки, навіть якби електрони були міцно прив’язані електронними силами до протонів усередині ядра, енергія зв’язування, що виділялася б у процесі їхнього «падіння» в ядро, була б більш ніж удесятеро меншою за енергію, необхідну для утримання квантово-механічної електронної хвильової функції в ділянці в межах ядра.

Хай там як, цифри не сходилися.

Тогочасні фізики знали про цю проблему, проте змирилися з нею. Підозрюю, що такий агностичний підхід вважали обачливим, і фізики були ладні притримати свою недовіру доти, доки не знатимуть більше, адже ці проблеми стосувалися найпередовішої фізики квантової механіки й атомного ядра. Замість висунення нових екзотичних теорій (можливо, десь на маргінесі якісь і були, проте мені вони невідомі) спільнота зрештою під впливом експериментів поборола природне вагання й зробила логічний наступний крок: дійшла висновку, що природа складніша за те, що було відкрито на той момент.

1930 року, приблизно в той час, коли Дірак змирився з можливістю, що його античастинки все-таки не є протонами, низка експериментів надала саме ті підказки, які були необхідні для вирішення ядерного парадоксу. З поетикою цих відкриттів може посперечатися хіба що драматизм особистих життів дослідників.

Макс Планк допоміг розпочати квантову революцію, розв’язавши парадокс спектра випромінювання, випущеного атомними системами. Тож було цілком логічно, щоб саме Планк опосередковано посприяв розв’язанню парадоксу зі складом ядра. Хоча він особисто не був на вістрі відповідних досліджень, він розгледів таланти Вальтера Боте – юного студента, який вивчав у Берлінському університеті математику, фізику, хімію й музику, – і 1912 року взяв його до себе в докторанти та лишався його наставником впродовж усієї своєї кар’єри.

Боте винятково пощастило бути учнем спершу Планка, а невдовзі по тому – Ганса Ґейґера, відомого своїм лічильником. На мою думку, Ґейґер є одним із найталановитіших фізиків-експериментаторів, обділених Нобелівською премією. Ґейґер починав свою кар’єру, здійснюючи разом з Ернестом Марсденом експерименти, якими скористався Ернест Резерфорд для відкриття існування атомного ядра. Ґейґер якраз повернувся з Англії, де працював із Резерфордом, аби очолити в Берліні новостворену лабораторію, і одним із перших його кроків було прийняття на роботу Боте як асистента. Там Боте навчився зосереджуватися на важливих експериментах, використовуючи прості підходи, що давали негайні результати.

Повернувшись після п’ятирічної «мимовільної відпустки» у «ролі» військовополоненого в Сибіру впродовж Першої світової війни, Боте налагодив чудову співпрацю з Ґейґером, зрештою змінивши того на посаді директора лабораторії. Упродовж спільно проведеного часу вони започаткували використання «методів збігів» для вивчення атомної, а зрештою і ядерної фізики. Використовуючи розміщені навколо мішені різноманітні детектори та точний хронометраж, вони мали змогу шукати одночасні події, які сигналізували, що їхнім джерелом мав бути одиничний атомний чи ядерний розпад.

1930 року Боте і його асистент Герберт Бекер стали свідками чогось зовсім нового й несподіваного. Бомбардуючи ядра берилію продуктами ядерного розпаду, які дістали назву альфа-частинок (на той час уже було відомо, що це ядра гелію), вони помітили витік абсолютно нової форми високоенергетичного випромінювання. Це випромінювання мало дві унікальні риси. Воно було більш проникне за найенергетичніші гамма-промені, проте подібно до них складалося з електрично нейтральних частинок, тож при проходженні крізь матерію не іонізувало атоми.

Новина про це дивне відкриття поширилася іншими фізичними лабораторіями по всій Європі. Спершу Боте й Бекер припустили, що це випромінювання було якимось новим різновидом гамма-променів. У Парижі Ірен Жоліо-Кюрі, дочка уславленої жінки-фізика Марії Кюрі, разом із чоловіком Фредеріком відтворили результати Боте й Бекера та більш детально дослідили нове випромінювання. Зокрема вони з’ясували, що під час бомбардування парафінової мішені воно вибивало протони з неймовірною енергією.

Це спостереження чітко засвідчило, що це випромінювання не могло бути гамма-променями. Чому?

Відповідь напрочуд проста. Якщо ви кинете у вантажівку, що їде на вас, зернятко попкорну, то навряд чи її зупините чи бодай розіб’єте вікно. Це через те, що попкорн, навіть якщо кинути його з великою енергією, несе маленький імпульс, оскільки важить мало. Щоб зупинити вантажівку, треба сильно змінити її імпульс, оскільки, навіть рухаючись повільно, вона залишається важкою. Щоб зупинити вантажівку чи збити з неї великий предмет, треба кидати велику каменюку.

Аналогічно, щоб вибити з парафіну важку частинку на кшталт протона, гамма-промінь, який складається з безмасових фотонів, повинен нести дуже велику енергію (настільки, щоб імпульс кожного окремого фотона був достатньо великим, щоб вибити важкий протон), а жоден із відомих процесів ядерного розпаду не давав достатньої для цього хоча б за порядком енергії.

Як не дивно, подружжя Жоліо-Кюрі (вони дотримувалися сучасних поглядів й обоє взяли одне й те саме прізвище з дефісом), схоже, як і Дірак, погребувало запропонувати для пояснення отриманих даних варіант із новою елементарною частинкою, оскільки протони, електрони й фотони були не лише добре знайомі, а й досі їх вистачало для пояснення всіх відомих явищ, зокрема екзотичних квантових феноменів, пов’язаних з атомами. Тож Ірен та Фредерік не висунули припущення, яке нині здається очевидним, що, можливо, у розпадах, що їх відкрили Боте й Бекер, виникає нова нейтральна масивна частинка. На жаль, аналогічна боязкість завадила Жоліо-Кюрі заявити права на відкриття позитрона, попри те, що вони реально спостерігали його в ході своїх експериментів ще до того, як Карл Андерсон дещо пізніше повідомив про своє відкриття.

Просунути справу далі випало фізикові Джеймсу Чедвіку. Чедвік, поза всяким сумнівом, мав чудовий нюх на фізику, а от його політична проникливість гостротою не вирізнялася. Закінчивши 1913 року зі ступенем магістра Манчестерський університет, де він працював із Резерфордом, він отримав стипендію, яка дозволяла йому навчатися будь-де. Тож він відправився до Берліна, щоб працювати з Ґейґером. Кращого наставника годі було шукати, і він почав займатися важливими дослідженнями радіоактивних розпадів. На жаль, під час його перебування в Німеччині розпочалася Перша світова війна, і наступні чотири роки Чедвік провів у таборі для інтернованих.

Урешті-решт він повернувся до Кембриджу (куди на той час переїхав Резерфорд), щоб закінчити під його керівництвом докторську дисертацію. Після цього Чедвік залишився працювати з Резерфордом та допомагати керувати Кавендиською лабораторією. Хоча він знав про результати Боте й Бекера та навіть відтворив їх, лише після того, як один із його студентів розповів йому про результати Жоліо-Кюрі, Чедвік, виходячи з наведеної вище енергетичної аргументації, переконався, що спостережуване випромінювання мало бути спричинене новою нейтральною частинкою й масою, порівнянною з масою протона, яка має міститися в атомних ядрах – ідея, яка багато років викристалізовувалася в них із Резерфордом.

Чедвік відтворив та розширив експерименти Жоліо-Кюрі, бомбардуючи інші мішені, окрім парафіну, для вивчення вихідних протонів. Він підтвердив не лише те, що енергетика зіткнень виключала те, що їхнім джерелом могли бути гамма-промені, а й що сила взаємодії нових частинок із ядрами значно перевищувала передбачену для гамма-променів.

Чедвік часу не гаяв. 1932 року, уже через два тижні після початку експериментів, він надіслав у часопис «Nature» лист під заголовком «Можливе існування нейтрона», після чого надіслав детальнішу статтю до Королівського товариства. Так було відкрито нейтрон, на частку якого, як ми тепер знаємо, припадає більша частина маси важчих ядер, а отже, і більша частина маси наших із вами тіл.

За це відкриття три роки по тому, 1935-го, він отримав Нобелівську премію. Одначе справедливість теж, можна сказати, восторжествувала, адже троє з тих, чиї експерименти уможливили результати Чедвіка, але хто при цьому не зумів ідентифікувати нейтрон, також удостоєні цієї нагороди за інші роботи. Боте здобув Нобелівську премію 1954 року за роботу з використання збігів між спостережуваними подіями в різних детекторах для вивчення детальної природи ядерних та атомних феноменів. Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі, яким не вистачило дещиці, щоб зробити два інші відкриття, відзначені Нобелівськими преміями, здобули 1935 року цю нагороду з хімії за відкриття штучної радіоактивності, яке пізніше стало ключовим інгредієнтом у розробці як ядерної енергетики, так і ядерної зброї. Що цікаво, лише після Нобелівської премії Ірен дістала у Франції посаду професора. Враховуючи дві Нобелівські премії, здобуті її матір’ю, Марією, загалом Кюрі набрали п’ять Нобелівок – найбільшу кількість нагород, що їх коли-небудь отримали члени однієї родини.

Після свого відкриття Чедвік узявся за вимірювання маси нейтрона. Його перша оцінка, 1933 року, дала масу, дещо меншу за суму мас протона й електрона. Це підкріплювало ідею, що, можливо, нейтрон є зв’язаним станом цих двох частинок, а різниця в масі, виходячи з відношення Ейнштейна E = mc2, спричинена втратою енергії на їх зв’язування. Проте після кількох інших результатів вимірювань, одержаних іншими групами, подальший аналіз, який провів Чедвік рік по тому з використанням ядерної реакції, індукованої гамма-променями, що дозволило виміряти всі енергії з дуже високою точністю, чітко засвідчив, що нейтрон важчий за суму мас протона й електрона, хоч і не набагато, менш ніж на 0,1 %.

Кажуть, що «близько» враховується лише під час кидання підків чи ручних гранат, проте близькість мас протона й нейтрона рахується дуже й дуже сильно. Це одна з ключових причин нашого з вами існування.

1896 року Анрі Беккерель відкрив радіоактивність урану, а вже через три роки Ернест Резерфорд виявив, що радіоактивність буває двох типів, які він позначив альфа-й бета-променями. Іще через рік було відкрито гамма-промені, і 1903-го Резерфорд підтвердив, що вони є новою формою радіації, давши їм їхню назву. 1900 року Беккерель визначив, що промені за бета-розпаду насправді є електронами, які, як ми знаємо нині, виникають у результаті розпаду нейтрона.

За бета-розпаду нейтрон розділяється на протон та електрон, що, як буде показано нижче, було б неможливо, якби нейтрон не був трохи важчим за протон. Проте дивним у розпаді нейтрона є не те, що він узагалі відбувається, а те, чому він триває так довго. Зазвичай розпад нестабільних елементарних частинок відбувається вже через мільйонні чи мільярдні частки секунди. Ізольовані нейтрони в середньому живуть понад десять хвилин.

Однією з головних причин, чому нейтрони живуть так довго, є те, що маса нейтрона лише трохи більша за суму мас протона й електрона. Таким чином, за рахунок маси спокою нейтрона він має таку кількість енергії, якої ледве вистачає на розпад на ці частинки зі збереженням енергії (іншою причиною є те, що нейтрон розпадається не лише на протон плюс електрон, а на три частинки… залишайтеся з нами!).

Хоча на атомній часовій шкалі десять хвилин видаються вічністю, це дуже малопорівняно з людським життям або життям атомів на землі. Повертаючись до загадки, наведеної на початку цього розділу: чому так? Як ми можемо складатися переважно з нейтронів, якщо вони розпадаються ще до першої рекламної паузи в 30-хвилинному телешоу?

Знов-таки відповідь криється в крайній близькості мас нейтрона й протона. Вільний нейтрон розпадається приблизно за десять хвилин. Проте розглянемо нейтрон, зв’язаний усередині атомного ядра. Зв’язаність означає, що для його вибивання з ядра потрібна енергія. Проте це означає, що, зв’язуючись із ядром, він спершу втрачає енергію. Але Ейнштейн каже нам, що сумарна енергія масивної частинки пропорційна її масі за формулою E = mc^2. Це означає, що, якщо нейтрон втрачає енергію під час зв’язування з ядром, його маса зменшується. Проте оскільки його маса в ізольованому стані лише на дещицю більша за суму мас протона й електрона, то, втративши масу, він уже не має достатньо енергії на розпад на протон і електрон. Якби він захотів розпастися на протон, він мав би або вивільнити достатню кількість енергії, щоб ще й вибити протон із ядра, якої, беручи до уваги стандартні енергії зв’язування ядер, він не має, або ж вивільнити достатню кількість енергії, щоб новий протон залишився в новому стабільному ядрі. Оскільки нове ядро було б ядром іншого елемента, додавання додаткового позитивного заряду до ядра також зазвичай потребує більше енергії, ніж є в наявності при розпаді нейтрона. Як наслідок нейтрон і більшість атомних ядер, що містять нейтрони, лишаються стабільними.

Уся ця стабільність ядер, з яких складається все, що ми бачимо, зокрема більшість атомів нашого тіла, є випадковим наслідком того факту, що маси нейтрона й протона відрізняються лише на 0,1 %, тож навіть маленька зміна маси першого з включенням у ядро означає, що він більше не може розпастися на останній. Ось що я дізнався від Томмі Ґолда.

Коли я про це думаю, досі вражаюся. Існування складної матерії, періодичної таблиці елементів, усього, що ми бачимо, від далеких зір до клавіатури, на якій я друкую цей текст, – залежить від такого видатного збігу. Чому? Чи випадковість це, чи закони фізики з якоїсь невідомої причини цього вимагають? Запитання на кшталт цього спонукають нас, фізиків, шукати можливі відповіді ще глибше.

Відкриття нейтрона й подальші спостереження його розпаду зробили більше, ніж просто ввели в субатомний зоопарк нову частинку. Вони дали привід думати, що на мікроскопічно малих відстанях на рівні атомних ядер можуть порушуватися дві найфундаментальніші властивості природи: закон збереження енергії й закон збереження імпульсу.

Майже за двадцять років до відкриття нейтрона Джеймс Чедвік спостерігав дещо дивне, пов’язане з бета-променями; ще задовго до того, як він чи хтось інший знав, що вони спричинені розпадами нейтронів. Спектр енергії, яку несуть випромінені в результаті розпаду нейтрона електрони, неперервний і змінюється в діапазоні від фактично нульової енергії аж до максимальної енергії, яка залежить від енергії, наявної після розпаду нейтрона; у випадку вільного нейтрона ця максимальна енергія становить різницю між масою нейтрона й сумою мас протона та електрона.

Проте тут є одна проблема. Її найпростіше побачити, якщо на мить уявити, що протон та електрон мають рівну масу. Тоді, якщо протон після розпаду нестиме більше енергії, ніж електрон, він рухатиметься швидше за електрон. Але якщо їхні маси однакові, протон також матиме більший імпульс, ніж в електрона. Проте якщо нейтрон розпадається в стані спокою, його імпульс перед розпадом буде нульовим, тож імпульс вихідного протона має скоротити імпульс вихідного електрона. Утім, це можливо лише тоді, коли вони мають однакові імпульси й рухаються в протилежних напрямках. Отже, величина імпульсу протона ніяк не може бути більшою за імпульс електрона. Коротше кажучи, якщо ці дві частинки після розпаду мають однакову масу, їхні енергія та імпульс можуть набувати лише якогось одного значення.

Аналогічне розмірковування, хоча й трохи більш математично навантажене, справедливе й для випадку, якщо протон та електрон мають різні маси. Якщо в результаті розпаду нейтрона утворюються лише ці дві частинки, їхні швидкості, а отже, і їхні енергії та імпульси повинні мати певні унікальні фіксовані значення, які залежать від співвідношення їхніх мас.

Як наслідок, якщо електрони, отримані при бета-розпаді нейтронів, виникатимуть, маючи цілий діапазон різних енергій, це порушуватиме закони збереження енергії та імпульсу. Проте, як я тонко натякнув вище, це справедливо лише для випадку, коли електрон і протон – єдині частинки, що виникають у результаті нейтронного розпаду.

Знов-таки, 1930-го, лише за кілька років до відкриття нейтрона, видатний австрійський фізик-теоретик Вольфганг Паулі написав колегам зі Швейцарського федерального технологічного інституту листа, що починався з безсмертного заголовка «Шановні радіоактивні леді й джентльмени», у якому вчений окреслив варіант розв’язання цієї проблеми, який він, за його ж власними словами, не вважав «достатньо обґрунтованим для публікації». Паулі висунув ідею існування нової електрично нейтральної частинки, яку назвав нейтроном, і що при бета-розпаді, крім електрона й протона, утворюється ще й ця нова нейтральна частинка, тож електрон, протон і ця частинка разом узяті можуть розділяти між собою наявну в результату розпаду енергію, що призведе до неперервного спектра.

Паулі, який пізніше здобув Нобелівську премію за «принцип виключення» у квантовій механіці, не був дурнем. Мало того, він не терпів дурнів. Про нього казали, що під час лекцій він підбігав до дошки та забирав у доповідача крейду, якщо вважав, що той каже якусь нісенітницю. Він міг піддавати нищівній критиці теорії, які йому не подобалися, а найстрашнішу критику приберігав для ідей, які були настільки нечіткі, що, за його словами, були «навіть не неправильними». (Коли я викладав у Єлі, один мій любий старий колега, видатний математичний фізик Феза Гюрсі, одного разу на запитання про значення оголошення про якусь занадто роздуту ідею, що її висунули якісь науковці, котрі гналися за популярністю, відповів так: «Це означає, що Паулі, скоріш за все, помер»).

Паулі розумів, що ідея нової елементарної частинки, яку ніхто ще не спостерігав, була до крайнощів умоглядною, і у своєму листі писав, що існування такої частинки малоймовірне, оскільки її, по-перше, ніхто не бачив, а отже, вона мала б слабко взаємодіяти з матерією, а по-друге, вона мала б бути дуже легкою, щоб виникати разом з електроном з огляду на те, що доступні за бета-розпаду енергії настільки малі порівняно з масою протона.

Перша проблема, що виникла з його ідеєю, стосувалася назви, яку він обрав. Після того, як 1932 року Чедвік експериментально відкрив частинку, яку ми нині звемо нейтроном, що підходить для нейтрального побратима протона з порівнянною масою, гіпотетична частинка Паулі потребувала іншої назви. Рішення 1934 року віднайшов блискучий італійський фізик і колега Паулі Енріко Фермі, змінивши назву на «нейтрино» – італійський каламбур, що означає «маленький нейтрон».

На відкриття нейтрино Фермі піде двадцять шість років – достатньо часу для цієї маленької частинки та її важчого побратима нейтрона, аби змусити фізиків повністю переглянути свої погляди на сили, що керують космосом, природу світла й навіть природу порожнього місця.

Розділ 10

Звідси й до нескінченності: проливаючи світло на Сонце

Я змагався добрим змагом, свій біг закінчив, віру зберіг.

2 Тимофію 4:7

Фізика Енріко Фермі практично широкий загал не оспівує, проте все одно лишається одним із найвидатніших учених ХХ століття. Вони з Річардом Фейнманом вплинули на мої власні установки й підходи до цієї царини, а також на моє власне її розуміння більше за будь-які інші визначні постаті. Шкода, що я не настільки обдарований, як вони.

Народившись 1901 року, Фермі помер у віці п’ятдесяти трьох років від раку, не виключено, спричиненого його роботою з радіоактивністю. Коли 1954-го він помер, він був на дев’ять років молодший, ніж я зараз, коли пишу ці рядки. Проте за своє коротке життя він розсунув межі як експериментальної, так і теоретичної фізики так, як відтоді не вдавалося нікому й навряд чи вдасться коли-небудь. На сьогодні складність і арсеналу теоретичних інструментів, що використовують нині для розробки фізичних моделей, і устаткування, яке нині застосовують для їх перевірки, завеликі для того, щоб якась одна людина, хоч би яка обдарована вона не була, змогла б залишатися на передньому краї обох цих напрямів на рівні, що його свого часу досягнув Фермі.

1918 року, коли Фермі закінчив середню школу в Римі, відкриті блискучому юному науковому розуму можливості були значно менш обмежені. Квантова механіка лише щойно народилася, нові ідеї були всюди, а сувора математика, необхідна для роботи з цими ідеями, ще не була розроблена чи застосована. Експериментальна фізика ще тільки збиралася увійти до володінь «великої науки»; експерименти могли проводити поодинокі дослідники в імпровізованих лабораторіях, і їх можна було здійснити за тижні, а не за місяці.

Фермі подався вступати до престижної Вищої нормальної школи в Пізі, де частиною вступного екзамену було написання есе. Того року темою були специфічні характеристики звуків. Фермі подав «есей», що містив розв’язання диференційних рівнянь із частинними похідними для вібруючої палички із застосуванням методу під назвою «аналіз Фур’є». Навіть сьогодні ці математичні методи зазвичай не викладають раніше десь третього року бакалаврату, а деякі студенти стикаються з ними лише в магістеріумі. Проте Фермі, будучи 17-річним, настільки вразив екзаменаторів, що посів за результатами іспиту перше місце.

В університеті Фермі спершу спеціалізувався на математиці, проте згодом переключився на фізику й в основному самостійно опанував загальну теорію відносності, – яку Ейнштейн розробив лише кілька років тому, – а також квантову механіку й атомну фізику – сфери досліджень, які на той час тільки зароджувалися. 21-річним, через чотири роки після початку навчання в університеті, він здобув докторський ступінь за дисертацію, у якій дослідив принципи застосування теорії ймовірності до дифракції рентгенівських променів. У ті часи в Італії дисертації із суто теоретичних питань не годилися для здобуття докторського ступеня з фізики, що спонукало Фермі навчитися впевнено почуватися не лише з пером і папером, а й у лабораторії.

Фермі переїхав до Німеччини, яка була центром зародження досліджень із квантової механіки, а тоді – до Лейдена, у Голландію, де зустрів найвідоміших фізиків того часу, зокрема Борна, Гайзенберга, Паулі, Лоренца та Ейнштейна, а тоді повернувся до Італії викладати. 1925 року Вольфганг Паулі запропонував «принцип виключення», який доводив, що два електрони не можуть одночасно й в одному місці перебувати в тому самому квантовому стані, і заклав підвалини всієї атомної фізики. Уже за рік Фермі застосував цю ідею до систем із багатьох таких ідентичних частинок, які подібно до електронів могли мати два можливі значення спіну, тобто кутового імпульсу, які ми називаємо верхнім та нижнім спінами. Таким чином, він затвердив сучасну форму галузі, яка називається статистичною механікою і є основою майже всього матеріалознавства, фізики напівпровідників та всіх галузей фізики, що привели до створення сучасних електронних компонентів на кшталт комп’ютерів.

Вище я підкреслював, що інтуїтивного способу зобразити точкову частинку такою, що обертається навколо деякої осі, не існує. Це всього-на-всього один зі способів, яким квантова фізика обходить наші уявлення про здоровий глузд. Електронами називають частинки зі спіном 1/2, оскільки величина кутового імпульсу їх обертання становить лише половину від найменшого значення кутового імпульсу, пов’язаного з орбітальним рухом електронів в атомах. Усі частинки зі спіном ½, такі як електрони, називаються ферміонами на честь Фермі.

У ніжному віці 26 років Фермі було обрано на посаду очільника нової кафедри теоретичної фізики в Римському університеті, де він керував енергійною групою студентів, деякі з яких пізніше стали Нобелівськими лауреатами, що досліджували атомну, а потім і ядерну фізику.

1933 року Фермі зацікавився іншою гіпотезою Паулі, тією самою, про нову частинку, що виникає в результаті розпаду нейтронів, яку Фермі позначив як нейтрино. Проте придумування назви для нової частинки було лише дрібницею. Фермі мав значно амбітнішу мету й розробив теорію нейтронного розпаду, яка виявила можливість існування нової фундаментальної сили природи, першої нової сили, що стала відома науці після електромагнетизму та гравітації і яка по-своєму була інспірована розмірковуваннями про світло. Хоча на той час це не було очевидним, ця сила стала першою з двох нових сил, пов’язаних з атомними ядрами, які разом з електромагнетизмом і гравітацією становлять множину всіх відомих нам сил, що діють у природі від найменших субатомних масштабів до масштабів руху галактик.

Коли Фермі подав статтю до часопису «Nature», редактор відхилив її, оскільки вона була «задалекою від фізичної реальності, щоб представляти інтерес для читачів». Для багатьох із нас, чиї статті також відхиляли свавільні редактори цього часопису, приємно знати, що стаття Фермі, одна з найважливіших статей в історії фізики ХХ століття, також не пройшла відбір.

Ця незаслужена відмова, без сумніву, роздратувала Фермі, проте вона мала корисний побічний ефект. Фермі натомість вирішив повернутися до експериментальної фізики й уже незабаром почав експериментувати з нейтронами, що їх відкрив Чедвік двома роками раніше. Уже за кілька місяців Фермі розробив потужне радіоактивне джерело нейтронів і виявив, що може індукувати радіоактивні розпади в стабільних за інших умов атомах, бомбардуючи їх нейтронами. Бомбардуючи нейтронами уран і торій, він також став свідком ядерних розпадів і вирішив, що створив нові елементи. Насправді він змусив ядра розпастися, або поділитися, на легші ядра, які, як пізніше, 1939 року, з’ясували інші науковці, випускають більше нейтронів, ніж вони поглинули їх у ході процесу.

Перехід Фермі до експериментів виявився напрочуд корисним для нього. Чотири роки по тому, 1938-го, у 37-річному віці він отримав Нобелівську премію за відкриття штучної радіоактивності й створення шляхом нейтронного бомбардування нових радіоактивних елементів. Проте станом на 1938 рік нацисти вже почали запроваджувати в Німеччині расові закони, і їхній приклад почала наслідувати Італія, тож дружина Фермі Лаура, єврейка, була в небезпеці. Отже, отримавши в Стокгольмі премію, Фермі та його родина не повернулися в Італію, а переїхали до Нью-Йорка, де він обійняв посаду в Колумбійському університеті.

Коли 1939 року в Нью-Йорку Фермі після лекції в Принстоні, яку прочитав Нільс Бор, дізнався новини про ядерний розпад, він відкоригував свою попередню, написану для церемонії вручення Нобелівської премії промову, виправивши помилку, і дуже скоро відтворив німецькі результати. Дуже швидко він та його колеги збагнули, що це давало можливість запуску ланцюгової реакції. Нейтрони могли бомбардувати уран, змушуючи той ділитися, вивільняти енергію й випускати ще більше нейтронів, які бомбардували ще більше атомів урану й так далі.

Невдовзі Фермі прочитав лекцію для ВМС США, у якій попереджав про значення цього результату, проте мало хто сприйняв його серйозно. Пізніше того ж року до президента Рузвельта дістався знаменитий лист Ейнштейна, змінивши хід історії.

Фермі розгледів потенційні загрози, що криються у вивільненні енергії атомного ядра, іще раніше. Через рік після здобуття докторського ступеня, 1923 року, він написав додаток до книги з теорії відносності, де розмірковував над потенціалом формули E = mc2, написавши, зокрема: «Видається неможливим принаймні в найближчому майбутньому знайти спосіб вивільнити ці здатні жахнути обсяги енергії, що дуже навіть добре, оскільки першим наслідком вибуху такого жахливого обсягу енергію буде розірвання на шматочки фізика, якому не пощастить знайти спосіб це зробити».

Ця ідея напевно не полишала Фермі 1941 року, коли в рамках започаткованого Мангеттенського проекту йому доручили завдання створити контрольовану ланцюгову реакцію, себто створити ядерний реактор. Хоча керівництво зі зрозумілих причин непокоїлося щодо здійснення цього в міській місцевості, Фермі був достатньо упевнений, щоб переконати очільника проекту дозволити йому збудувати реактор у Чиказькому університеті. 2 грудня 1942 року реактор досяг критичної маси, і Чикаго це пережило.

Два з половиною роки по тому Фермі був особисто присутній на полігоні в штаті Нью-Мексико, де спостерігав перший ядерний вибух – випробування «Трініті». Доки інші заклякли в благоговінні й жаху, Фермі в типовій для себе манері провів імпровізований експеримент для оцінки потужності бомби: дочекавшись, коли до них дійде ударна хвиля, він кинув кілька паперових смужок, щоб подивитися, як далеко їх віднесе.

Невпинний експериментальний підхід Фермі до фізики є однією з причин, чому я настільки шаную його пам’ять. Він завжди знаходив простий і легкий шлях досягнення правильної відповіді. Хоча Фермі мав величезну математичну майстерність, він не любив ускладнень і розумів, що може швидко дістати приблизну відповідь, яка буде «достатньо гарною», тоді як на одержання точної відповіді можуть піти місяці чи роки. Він удосконалив власні вміння та допоміг це зробити своїм учням, винайшовши те, що ми нині звемо «задачами Фермі», які, за розповідями, він щодня в обід задавав команді, яка працювала на нього. Моя улюблена задача, яку я завжди задаю слухачам мого вступного курсу до фізики, звучить так: «Скільки в Чикаго нараховується настроювачів фортепіано?» Спробуйте відповісти самі. Якщо матимете відповідь між сотнею й п’ятьмастами, ви молодець.

За свою експериментальну роботу Фермі отримав Нобелівську премію, проте не виключено, що його теоретичний спадок у фізиці значно видатніший. Як і належить, «теорія», яку він запропонував у своїй славетно відхиленій статті на тему нейтронного розпаду, була напрочуд простою, проте робила свою справу. Це зовсім не була вичерпна теорія, і на той час розробляти таку було б передчасно. Натомість він зробив найпростіше припущення з можливих. Він уявив собі деякий новий різновид взаємодії між частинками, яка відбувалася в одній точці. Чотирма частинками-учасницями були нейтрон, протон, електрон і нова частинка, яку Паулі й Фермі нарекли нейтрино.

Відправна точка міркувань Фермі стосувалася світла, як і майже вся сучасна фізика, а в цьому випадку – сучасна квантова теорія взаємодії світла з матерією. Пригадаймо, що Фейнман, коли доводив необхідність існування антиматерії, розробив графічну композицію для розмірковувань про фундаментальні процеси в просторі й часі. Нижче відтворена просторово-часова картина електрона, який випускає фотон, але цього разу місце електрона займає протон р:

Фермі уявив собі розпад нейтрона аналогічним чином, проте замість того, щоб випустити фотон і залишитися тією ж частинкою, нейтрон n випускає пару частинок, електрон е й нейтрино n, після чого перетворюється на протон р:

В електромагнетизмі сила взаємодії між зарядженими частинками й фотонами (від якої залежить імовірність випускання фотона в точці, показаній на першому рисунку на попередній сторінці) пропорційна заряду цієї частинки. Оскільки саме заряд дозволяє частинкам взаємодіяти, або ж «зв’язуватися» з електромагнітним полем, величина фундаментального кванта заряду – заряд одного електрона чи протона – називається «сталою зв’язку» електромагнетизму.

У взаємодії Фермі числова величина, що виникає в точці взаємодії на рисунку, де нейтрон перетворюється на протон, визначає ймовірність такого перетворення. Значення цієї величини визначено експериментально, і нині ми називаємо його сталою Фермі. Для електромагнетизму числове значення цієї величини мале, оскільки розпад нейтрона займає багато часу порівняно, скажімо, з частотою електромагнітних переходів в атомах. Як наслідок взаємодія Фермі, яка описує нову силу природи, стала відома як слабка взаємодія.

Одним із факторів, що зробили пропозицію Фермі настільки визначною, було те, що вперше у фізиці хтось висловив думку, що у квантовому світі можуть спонтанно виникати не лише фотони, а й інші частинки (у цьому випадку одночасно з перетворенням нейтрона на протон створюються електрон і нейтрино). Це стало одночасно джерелом натхнення й прототипом для значної частини подальших досліджень квантового характеру фундаментальних сил природи.

Мало того, вона була не лише післябаченням щодо природи. Вона робила передбачення якраз через те, що поодинока математична форма взаємодії, яка змушує нейтрон розпадатися, також здатна передбачити купу інших явищ, що були виявлені пізніше.

Ще важливішим є те, що ця взаємодія з точно такою ж силою керує аналогічними розпадами інших частинок, які існують у природі. Приміром, 1936 року Карл Андерсон, «автор» позитрона, відкрив у космічних променях іще одну частинку, першу з настільки багатьох, що фізики в галузі елементарних частинок іще дивуватимуться, чи закінчиться ця послідовність коли-небудь. Кажуть, що, дізнавшись про це відкриття, фізик-атомник і майбутній Нобелівський лауреат І. А. Рабі вигукнув: «Хто це замовив?»

Нині ми знаємо, що ця частинка, яка зветься мюоном і позначається грецькою літерою m, є, по суті, точною копією електрона, хіба що разів у двісті важчою. Оскільки вона важча, то може розпадатися, випускаючи електрон і нейтрино внаслідок взаємодії, що виглядає ідентичною нейтронному розпаду, хіба що мюон перетворюється не на протон, а на інший тип нейтрино (який називається мюонним нейтрино). Як не дивно, якщо використати як значення сили цієї взаємодії ту саму сталу Фермі, одержимо точний час життя мюона.

Очевидно, що тут діє нова фундаментальна сила, універсальна для всієї природи з деякими подібностями та деякими суттєвими відмінностями порівняно з електромагнетизмом. По-перше, ця взаємодія значно слабкіша. По-друге, на відміну від електромагнетизму, ця взаємодія за всіма ознаками діє лише в невеликому околі – у моделі Фермі взагалі в одній точці. При перетворенні на протони в одному місці нейтрони не змушують електрони обертатися на нейтрино десь в іншому місці, тоді як взаємодія між електронами й фотонами дозволяє електронам обмінюватися віртуальними фотонами й відштовхувати один одного навіть на величезних відстанях. По-третє, ця взаємодія змінює один тип частинок на інший. Електромагнетизм пов’язаний зі створенням та поглинанням фотонів, квантів світла, проте заряджені частинки, які взаємодіють із ними, зберігають свою ідентичність як до, так і після акту взаємодії. Гравітація також далекосяжна, і коли м’яч падає на землю, він залишається м’ячем. А от слабка взаємодія примушує нейтрони розпадатися й перетворюватися на протони, мюони – на нейтрино тощо.

Ясно, що слабка взаємодія чимось відрізняється, утім, можна спитати себе, чи варто цим перейматися. Нейтронний розпад цікавий, проте, на щастя, властивості ядра захищають нас від нього, уможливлюючи існування стабільних атомів. Тож на перший погляд вона мало впливає на наше буденне життя. На відміну від гравітації й електромагнетизму, ми її не відчуваємо. Якби слабка взаємодія була неважливою, на її аномальну природу можна було б із легким серцем махнути рукою.

Проте слабка взаємодія принаймні не менше за гравітацію й електромагнетизм безпосередньо відповідальна за наше існування. 1939 року Ганс Бете, який невдовзі разом з іншими очолить зусилля з будівництва атомної бомби, збагнув, що взаємодії, які розбивають важкі ядра для одержання джерела вибухової сили бомби, за інших обставин можна використати для створення більших ядер із малих. При цьому зможе виділятися ще більше енергії, ніж в атомній бомбі.

Доти джерело енергії Сонця було таємницею. Було чітко встановлено, що температура сонячного ядра не може перевищувати кількох десятків мільйонів градусів – що може здатися неймовірною величиною, проте обсяги енергії, доступні ядрам, що зіштовхуються за таких температур, уже були одержані в лабораторних умовах. Мало того, Сонце не могло просто собі горіти, наче свічка.

Уже у XVIII столітті було встановлено, що об’єкт із масою Сонця, якщо це просто щось на кшталт розжареного шматка вугілля, може горіти з його спостережуваною яскравістю не довше десяти тисяч років. Хоча це гарно вписувалося в оцінки віку всесвіту, які архієпископ Ашшер вивів з опису створення світу в Біблії, до середини ХІХ століття геологи та біологи вже встановили, що сама Земля була старішою. Оскільки інші джерела енергії на обрії не проглядалися, довговічність і яскравість Сонця залишалися непояснимими.

Тут на сцену вийшов Ганс Бете. Ще один неймовірно талановитий та плодовитий фізик-теоретик, породжений Німеччиною першої половини ХХ століття, Бете також був докторантом Арнольда Зоммерфельда й зрештою здобув Нобелівську премію. Бете почав наукову кар’єру з хімії, оскільки вступні курси з фізики в його університеті викладали погано – поширена проблема (з цієї ж причини я кинув фізику впродовж свого першого року навчання, проте, на щастя, кафедра фізики мого університету дозволила мені наступного року послухати більш просунутий курс). Бете переключився на фізику ще до вступу в магістратуру й емігрував до Сполучених Штатів, рятуючись від нацистів.

Фізик-віртуоз Бете був здатний виконувати детальні розрахунки для розв’язання широкого діапазону задач прямо на дошці, починаючи з лівого верхнього кутка й закінчуючи в правому нижньому майже без витирань. Бете сильно вплинув на Річарда Фейнмана, який захоплювався терплячим методичним підходом Бете до задач. Сам Фейнман часто перестрибував від початку задачі в самий кінець, а лише тоді проробляв проміжні кроки. Глибока формальна вправність Бете й блискучі інтуїтивні здогадки Фейнмана гарно поєднувалися під час їхньої спільної роботи над атомною бомбою в Лос-Аламосі. Вони ходили коридорами, і Фейнман голосно опонував терплячому, проте впертому Бете, тож їхні колеги називали їх «лінкором і торпедним катером».

Коли я був юним фізиком, Бете був легендою, адже навіть коли йому перейшло за дев’яносто, він і далі писав вагомі фізичні статті. Він також був радий поговорити про фізику з ким завгодно. Коли я читав гостьову лекцію в Корнелльському університеті, у якому Бете провів більшу частину своєї професійної кар’єри, для мене було величезною честю, коли він увійшов до мого кабінету поставити кілька запитань і слухав мене дуже уважно, наче я дійсно міг щось йому запропонувати.

Він також був фізично витривалим. Один із моїх товаришів-фізиків розповів мені про свою поїздку до Корнеллу. Одного вік-енду він вирішив дати волю амбіціям і подолати одну з численних крутих пішохідних трас в окрузі кампусу. Він був дуже гордий, що, фухаючи та хекаючи, зміг дістатися майже самої вершини, доки не угледів Бете, якому тоді було під дев’яносто, який весело крокував трасою з вершини.

Хоча я й без того завжди любив і поважав Бете, досліджуючи матеріали для цієї книги, я натрапив на ще два додаткові особисті зв’язки, які мене настільки потішили, що я не можу не згадати про них тут. По-перше, я виявив, що є в певному сенсі його інтелектуальним онуком, оскільки керівник моєї бакалаврської дипломної роботи з фізики М. К. Сундаресан був одним із його докторантів. По-друге, я виявив, що Бете, який не терпів гучних заяв про одержання фундаментальних результатів, зроблених за відсутності обґрунтованих мотивів чи доказів, якось, уже будучи постдоком, написав статтю-жарт, висміюючи статтю славетного фізика сера Артура Стенлі Еддінгтона, яку вважав безглуздою. Еддінгтон стверджував, що, використовуючи деякі фундаментальні принципи, «вивів» фундаментальну константу електромагнетизму, проте Бете правильно оцінив це твердження як ніщо інше, ніж помилкову нумерологію. Дізнавшись про це, я почав краще ставитися до статті-жарту, яку написав, будучи доцентом у Єлі, у відповідь на статтю, яку вважав негідною і яка була опублікована в шанованому фізичному журналі й претендувала на відкриття нової сили природи (що пізніше дійсно виявилося неправдою). У часи, коли свою статтю писав Бете, світ фізики сприймав себе дещо серйозніше, тож Бете з колегами були змушені приносити вибачення. На той час, коли свою статтю писав я, єдиним, хто відреагував негативно, був голова моєї кафедри, який хвилювався, що мій матеріал дійсно можуть опублікувати у «Physical Review».

Коли йому було трохи більше тридцяти, Бете вже мав репутацію майстерного фізика, чиє ім’я фігурувало в безлічі результатів – від формули Бете, яка описувала проходження заряджених частинок крізь матерію, до анзацу Бете – методу одержання точних розв’язків певних квантових задач у фізиці багатьох тіл. Низка оглядових статей, що їх він написав 1936 року у співавторстві, про становище галузі ядерної фізики, яка тоді лише зароджувалася, певний час мали беззаперечний авторитет і стали відомі як Біблія Бете (на відміну від традиційної Біблії, її передбачення можна було перевірити, і в міру розвитку наукового прогресу вона зрештою поступилася місцем іншим роботам).

1938 року Бете переконали відвідати конференцію, присвячену «генерації зоряної енергії», попри те, що на той час астрофізика не належала до його основних інтересів. Ще до кінця зібрання він розробив ядерний процес, за яким чотири окремі протони (ядра атомів водню) під дією слабкої взаємодії Фермі зрештою «зливаються» й формують ядро гелію, яке складається з двох протонів і двох нейтронів. У результаті цього синтезу утворюється майже в мільйон разів більше енергії на атом, ніж при спалюванні вугілля. Це дозволяє Сонцю існувати в мільйон разів довше, ніж могли допускати всі попередні оцінки, або 10 мільярдів років замість десяти тисяч. Пізніше Бете показав, що живленню Сонця сприяють інші ядерні реакції, зокрема послідовність, яка перетворює вуглець на азот і кисень – так званий CNO-цикл.

Так було розгадано таємницю Сонця – самого народження світла в нашій сонячній системі. 1967 року Бете здобув Нобелівську премію, а майже 40 років по тому експерименти з нейтрино, що надходять від Сонця, підтвердили його передбачення. Нейтрино були ключовими експериментально спостережуваними елементами, що вможливили це підтвердження. Це через те, що весь ланцюг починається з реакції, у якій зіштовхуються два протони, і за рахунок слабкої взаємодії один із них перетворюється на нейтрон, даючи їм змогу злитися в ядро важкого водню, який називається дейтерій, і випустити нейтрино й позитрон. Позитрон далі бере участь у взаємодіях усередині Сонця, а от нейтрино, які взаємодіють лише шляхом слабкої взаємодії, мандрують за межі Сонця, до Землі й далі.

Щосекунди щодня крізь ваше тіло проходить понад 400 000 мільярдів цих нейтрино. Сила їх взаємодії настільки слабка, що в середньому вони можуть пролетіти крізь десять тисяч світлових років суцільного свинцю, перш ніж почнуть із чимось взаємодіяти, тож більшість із них просто проходять крізь вас і крізь Землю, і ніхто цього не помічає. Але якби не слабка взаємодія, вони не утворювалися б, Сонце не світило б і жоден із нас не існував би, щоб цим перейматися.

Тож слабка взаємодія, попри свою надзвичайну слабкість, значною мірою відповідальна за наше існування. Це є однією з причин, чому, коли виявилося, що й взаємодія Фермі, розроблена для її опису, і нейтрино, уперше нею передбачені, суперечать здоровому глузду, фізики мали підвестися та взяти їх до уваги. А далі вони не мали іншого виходу, як змінити наші уявлення про саму реальність.

Частина 2

Вихід

Розділ 11

Часи відчаю та відчайдушні заходи

Для всього свій час, і година своя кожній справі під небом…

Екклезіяст 3:1

Стрімкий розвиток подій упродовж 1930-х років від відкриття нейтрона до дослідження природи нейтронного розпаду, а також відкриття нейтрино й подальше відкриття нової й універсальної близькодійної слабкої сили природи радше збентежили фізиків, аніж надихнули. Блискучий поступ, що привів до об’єднання електрики й магнетизму, а потім квантової механіки й теорії відносності, ґрунтувався на вивченні природи світла. Проте було незрозуміло, як елегантна теоретична доктрина квантової електродинаміки може надати засоби для розгляду нової сили. Слабка взаємодія дуже далека від безпосередніх людських відчуттів і стосується нових та екзотичних елементарних частинок і ядерних трансмутацій, що змушують пригадати алхімію, проте, на відміну від алхімії, їх можна перевірити й відтворити.

Фундаментальне збентеження було пов’язане з природою власне атомного ядра та питанням, що ж тримає його вкупі. Відкриття нейтрона допомогло розв’язати парадокс, який до того, як здавалося, вимагав ув’язнення в ядрі електронів заради врівноваження заряду додаткових протонів, необхідних для одержання відповідних ядерних мас, проте спостереження бета-розпаду, унаслідок якого з ядер вилітали електрони, картину аж ніяк не прояснили.

Здогад, що за бета-розпаду нейтрони в ядрі стають протонами, дещо прояснив ситуацію, проте далі природним чином постало інше запитання: чи могло це перетворення в якийсь спосіб пояснити сильне зв’язування, яке тримало протони й нейтрони всередині ядра вкупі?

Попри очевидні відмінності між слабкими силами й квантовою теорією електромагнетизму (КЕД), видатні успіхи КЕД в описі поведінки атомів і взаємодії електронів зі світлом не могли не вплинути на роздуми фізиків щодо цієї нової слабкої сили. Пов’язані з КЕД математичні симетрії чудово спрацювали, забезпечивши щезання здатних завдати великого клопоту нескінченостей з обрахунків, що постають з обміну віртуальними частинками при переході до передбачень значень фізичних величин. Можливо, щось подібне спрацює й під час спроб зрозуміти силу, що зв’язує докупи протони й нейтрони в ядрі?

А саме, якщо електромагнітна сила зумовлена обміном частинками, було логічно припустити, що сила, яка тримає ядро вкупі, також може бути зумовлена обміном частинками. 1932 року, приблизно в той же час, коли було відкрито нейтрон, цю ідею запропонував Вернер Гайзенберг. Якщо нейтрони й протони можуть перетворюватися один на одного, причому протону для перетворення на нейтрон треба поглинути електрон, то, можливо, саме обмін електронами між ними може якимось чином породити здатну зв’язати силу?

Утім, цю картину затьмарювали кілька широко відомих проблем. Першою була проблема «спіну». Якщо вслід за Гайзенбергом припустити, що нейтрон, по суті, складається зі зв’язаних докупи протона й електрона й вони обидва є частинками зі спіном ½, то після їхнього складання докупи в нейтроні він не може мати спін ½, адже ½ + ½ не може дорівнювати ½. Гайзенберг у пориві відчаю, адже то були часи відчаю, коли, здавалося, руйнувалися всі традиційні правила, висунув припущення, що «електрон», який передається від нейтронів до протонів і тримає їх у ядрі вкупі, якимось чином відрізняється від вільного електрона й не має спіну взагалі.

Ретроспективно подана картина мала іншу проблему. У Гайзенберга були причини вважати, що саме електрони зв’язують докупи нейтрони й протони, оскільки він думав про молекули водню. У водні два протони зв’язуються докупи за рахунок спільних електронів, що обертаються навколо них. Проблема з поясненням аналогічним чином ядерного зв’язування полягає в масштабі. Як нейтрони й протони можуть обмінюватися електронами й триматися разом настільки щільно, що середня відстань між ними більш ніж у сто тисяч разів менша за розмір молекул водню?

Цю проблему можна розглянути в інший спосіб, до якого буде корисно повернутися згодом. Пригадаймо, що електромагнетизм є далекосяжною силою. Через обмін віртуальними фотонами, взаємне відштовхування, хоч і вкрай слабеньке, можуть відчувати два електрони в протилежних кінцях галактики. Це можливо завдяки квантовій теорії електромагнетизму. Фотони не мають маси, тож віртуальні фотони до свого поглинання можуть подорожувати необмежено далеко й нести необмежено малу кількість енергії, не порушуючи при цьому принципу невизначеності Гайзенберга. Якби фотони були масивними, це було б неможливим.

Проте якби сила взаємодії між нейтронами й протонами в ядрах виникала за рахунок поглинання та випускання, скажімо, віртуальних електронів, ця сила була б близькодійною, оскільки електрони масивні. Наскільки близькодійною? Ну, виходить, десь приблизно в сто тисяч разів більше за розміри типових ядер. Отже, сили в масштабах ядер не можуть бути спричинені обміном електронів. Я ж казав, то були часи відчаю.

Відчайдушна ідея Гайзенберга щодо дивної безспінової версії електрона не оминула молодого японського фізика, сором’язливого 28-річного Хідекі Юкаву. 1935 року, коли Японія тільки-тільки почала виходити на сцену після століть ізоляції й незадовго до того, як її імперіалістичні плани запалили війну в Тихоокеанському регіоні, Юкава опублікував першу оригінальну роботу з фізики, написану вченим, який здобув освіту винятково в Японії. Ця стаття лишалася непоміченою щонайменше два роки, проте чотирнадцять років по тому Юкава здобув Нобелівську премію за свою роботу, яку на той час уже помітили, хоча і з зовсім інших причин.

Візит Ейнштейна до Японії 1922 року закріпив щораз більшу цікавість Юкави до фізики. Коли він іще вчився в середній школі й шукав матеріали, які допомогли б йому скласти іспити з другої іноземної мови, він знайшов німецькомовне видання «Вступу до теоретичної фізики» Макса Планка. Він дуже зрадів можливості читати одночасно німецькою й фізику, і в цьому йому допомагав однокласник Синітіро Томонага, талановитий фізик, який був його колегою і в школі, і пізніше в Кіотському університеті. Томонага був настільки талановитим, що пізніше отримав спільно з Річардом Фейнманом і Джуліаном Швінґером Нобелівську премію за демонстрацію математичної узгодженості квантової електродинаміки.

Той факт, що Юкава, який був японським студентом у часи, коли багато з його викладачів іще несповна розумілися на сфері квантової механіки, яка лише зароджувалася, натрапив на можливе рішення проблеми ядерної сили, яке не розгледіли Гайзенберг, Паулі й навіть Фермі, не може не вражати. Підозрюю, що частиною проблеми був феномен, який кілька разів мав місце у ХХ столітті, а можливо, як раніше, так і пізніше. Коли парадокси та ускладнення, пов’язані з деяким фізичним процесом, починають здаватися непереборними, дуже спокусливо припустити, що якась нова революція на кшталт теорії відносності чи квантової механіки потребуватиме настільки докорінного повороту в міркуваннях, що сенсу просуватися далі, використовуючи наявні методики, немає.

На відміну від Гайзенберга чи Паулі, Фермі не прагнув повномасштабної революції. Він був ладен запропонувати, за його власними словами, «пробну теорію» нейтронного розпаду, яка позбавлялася електронів у ядрі, допускаючи їхнє спонтанне утворення в процесі бета-розпаду. Він запропонував модель, яка працювала, і при цьому був свідомий того, що це лише модель, а не повноцінна теорія, яка, утім, надавала змогу здійснювати обрахунки й робити передбачення. У цьому полягала сутність практичного стилю Фермі.

Юкава стежив за цими подіями, навіть переклав статтю Гайзенберга на тему ядер разом зі вступом, яку опублікував у Японії, тож проблеми з версією Гайзенберга вже були йому очевидні. Далі, 1934 року, Юкава прочитав теорію нейтронного розпаду Фермі, яка стала каталізатором виникнення в нього нової ідеї. Що, як ядерна сила, яка зв’язує протони й нейтрони, була викликана обміном між ними не віртуальними електронами, а електроном і нейтрино, які утворюються під час перетворення нейтронів на протони?

Утім, одразу ж виникла інша проблема. Нейтронний розпад є результатом того, що стало відоме під назвою слабкої взаємодії, і сила, яка за це відповідає, слабка. Якщо підставити значення можливої сили, яка могла б виникнути між протонами й нейтронами в результаті обміну електронно-нейтринної пари, стане очевидно, що ця сила буде заслабка для того, щоб їх зв’язати.

Далі Юкава дозволив собі зробити те, чого не робив ніхто інший. Він запитав себе, чому ядерна сила, якщо вона подібно до КЕД є результатом обміну віртуальними частинками, має бути спричинена обміном однією або кількома частинками, які вже відомі або чиє існування припускають. Якщо пригадати, з якою нехіттю фізики на кшталт Дірака та Паулі висували ідею існування нових частинок попри те, що мали рацію, можна, мабуть, оцінити, наскільки радикальною була ідея Юкави. Пізніше Юкава описував її так: «У цей період саме атомне ядро було втіленням несумісності, геть непоясненним. А чому? Бо наша концепція елементарної частинки була завузькою. У японській мові такого слова не було, тож ми вживали англійське слово, яке позначало протон і електрон. Звідкілясь надійшло божественне веління, що заборонило нам думати про якісь інші частинки. Мислити поза цими межами (за винятком фотона) означало бути пихатим, не боятися гніву богів. Це через те, що концепція вічності матерії була традицією ще з часів Демокріта й Епікура. Думати про створення частинок, відмінних від фотонів, було підозріливим, і такі думки пригнічували майже підсвідомо».

Один із моїх добрих друзів-фізиків казав, що міг займатися складними обрахунками лише після народження кожного зі своїх дітей, коли він усе одно не міг спати, тож не лягав і працював. От і в жовтні 1934 року, якраз після народження своєї другої дитини й не маючи можливості спати, Юкава збагнув, що, якщо радіус дії сильної ядерної сили має обмежуватися розмірами ядра, тоді частинки, що беруть участь в обміні, мають бути значно масивніші за електрон. Наступного ранку він приблизно оцінив цю масу як у двісті разів більшу за масу електрона. Щоб цією частинкою могли обмінюватися нейтрони й протони, вона мала нести електричний заряд і не повинна була мати спіну, аби не змінити спін протона чи нейтрона при поглинанні чи випусканні.

Ви можете спитати, як уся ця метушня навколо сильних ядерних сил стосується нейтронного розпаду – теми, яка відкрила цей розділ і закрила попередній? У 1930-х роках, точно як видумування нових частинок суперечило загальноприйнятій традиції, так і винайдення нових сил видавалося в найкращому випадку непотрібним, а в найгіршому – єрессю. Фізики були переконані, що всі процеси, які відбуваються в ядрі, незалежно від того, сильні вони чи слабкі, мають бути взаємопов’язані.

Поєднавши ідеї Фермі й Гайзенберга та узагальнивши ідеї успішної квантової теорії електромагнетизму, Юкава вигадав кмітливий спосіб досягти цього. Якщо замість фотона нейтрони в ядрі випускали нову, важку, безспінову заряджену частинку, – яку Юкава спершу називав мезотроном, аж доки Гайзенберг не відкоригував грецьку Юкави й не скоротив назву до «мезона», – то ця частинка могла поглинатися протонами ядра, породжуючи силу тяжіння, величину якої Юкава зміг обчислити за допомогою рівнянь, екстрапольованих з, як неважко здогадатися, електромагнетизму.

Утім, аналогія з електромагнетизмом не могла бути точною, оскільки мезон масивний, а протон безмасовий. Юкава вчинив так, як міг би вчинити Фермі, якби додумався до цього. Так, теорія була неповна, проте Юкава був ладен проігнорувати ті аспекти електромагнетизму, які його теорія не могла відтворити. Грець із ними, з торпедами, повний вперед.

Юкава винахідливо – і зрештою неправильно – поєднав цю сильну силу зі спостережуваним нейтронним розпадом, припустивши, що простий обмін мезонами між нейтронами й протонами в ядрі може відбуватися не завжди. Дещиця випущених нейтронами мезонів може ще до поглинання розпастися в польоті на електрон і нейтрино, спричиняючи нейтронний розпад. У цьому разі нейтронний розпад виглядатиме не так, як на лівому з рисунків нижче, де розпад і випускання всіх інших частинок відбуваються в тій самій точці. Він виглядатиме, як на рисунку праворуч, де розпад розтягнутий у часі, а нова частинка, відмічена пунктиром (який позначає мезон Юкави), після випускання долає невелику відстань, а тоді розпадається на електрон і нейтрино. Додавання цієї нової проміжної частинки робить слабку взаємодію, яка опосередковано спричиняє нейтронний розпад, більш схожою на електромагнітну взаємодію між зарядженими частинками:

Юкава запропонував нову проміжну частинку, важкий мезон, який зробив нейтронний розпад подібним до вже знайомої нам картини фотонного обміну в електромагнетизмі, – який, власне, і спонукав його міркувати в цьому напрямку, – проте із суттєвими відмінностями. У цьому випадку проміжна частинка була одночасно масивною й електрично зарядженою, а також, на відміну від фотона, не мала обертального кутового моменту.

Утім, Юкава зміг показати, що у випадку важкого мезона його теорія не відрізняється від точкової взаємодії Фермі, яка описує нейтронний розпад, принаймні в плані передбачення подробиць нейтронного розпаду. Окрім того, теорія Юкави пропонувала спосіб звести всі дивні властивості ядра – від бета-розпаду нейтронів усередині ядра до сили взаємодії, що зв’язувала докупи протони й нейтрони – до простого розуміння властивостей лише однієї нової взаємодії, що була результатом обміну новою частинкою, а саме його мезоном.

Однак якщо цей новий мезон дійсно існує, то де він є? Чому його ще не виявили в космічних променях? Через це, а також через те, що Юкава був невідомо ким і працював далеко від центру подій, на його варіант пояснення як сильної взаємодії між нуклонами, так і слабкішої, яка, судячи з усього, була відповідальна за нейтронний розпад, ніхто не звернув особливої уваги. Разом із тим його варіант, на відміну від варіантів Гайзенберга та інших, зокрема Фермі, був простішим та більш осмисленим.

Усе змінилося 1936-го, менш ніж через два роки після передбачення Юкави, коли Карл Андерсон, першовідкривач позитрона, спільно із Сетом Неддермайєром виявили в космічних променях щось, що виглядало новим набором частинок. З характеристик треків цих нових частинок у камерах Вільсона випливало, що вони продукували замало радіації в матерії, крізь яку проходили, щоб бути протонами чи електронами. Вони також були масивніші за електрони і в одних випадках поводилися як позитивні, а в інших – як негативні. Дуже скоро виявилося, що ці частинки мають масу в діапазоні, приблизно у двісті разів більшому за масу електрона, як і передбачив Юкава.

Дивовижно, наскільки швидко решта світу на це пристала. Юкава опублікував коротку замітку, у якій зазначив, що його теорія передбачила існування саме таких частинок. Уже за кілька тижнів найкращі фізики Європи почали вивчати його модель і впроваджувати його ідеї у свої роботи. 1938 року, на останній великій конференції перед тим, як Друга світова війна перервала практично всю міжнародну наукову співпрацю, троє з восьми основних доповідачів присвятили свої виступи теорії Юкави, цитуючи ім’я, зовсім не відоме їм лише рік чи два тому.

Хоча решта з більшості фізиків світу святкувала те, що виглядало відкриттям мезона Юкави, воно мало свої проблеми. Розпад мезона на електрон, як це передбачив Юкава у 1940 році, було виявлено в треках космічних променів. Проте протягом 1943–1947 років стало зрозуміло, що частинки, які відкрили Андерсон і Неддермайєр, взаємодіяли з ядрами значно слабкіше, аніж мали б згідно з передбаченнями Юкави.

Щось було не так.

Троє японських колег Юкави висловили думку, що мезони бувають двох різних видів і що мезон юкавівського типу може розпадатися на інший, відмінний та слабкіше взаємодійний мезон. Проте їхні статті були написані японською й були перекладені англійською лише після війни, а доти аналогічне припущення встиг висловити американський фізик Роберт Маршак.

Ця затримка виявилася щасливою. Розробляли нові технології спостереження треків космічних променів у фотоемульсіях, а низка відважних дослідників тягла своє обладнання на вершини в пошуках можливих нових сигналів. Багато космічних променів взаємодіють і зникають іще до досягнення рівня моря, тож ця група й усі інші, зацікавлені у вивченні цього чудового нового джерела частинок із небес, не мали іншого вибору як шукати якомога вищі пагорби. У цих місцях космічні промені проходили меншу відстань в атмосфері і їх було легше фіксувати.

Під час війни італійця Джузеппе Оккіаліні, колишнього гіда-альпініста, який перекваліфікувався у фізики, запросили з Бразилії доєднатися до британської команди, що працювала над атомною бомбою. Оскільки він був уродженцем іншої країни, то не зміг працювати над цим проектом, тож натомість приєднався до групи з фізики космічних променів у Брістолі. Альпіністські навички Оккіаліні стали йому у великій пригоді під час підйому фотографічних емульсій на французький Пік-дю-Міді заввишки дві тисячі вісімсот метрів. Нині до обсерваторії на вершині цього піка можна дістатися підйомником, і це невимовно захоплива подорож. Проте 1946 року Оккіаліні мав дертися на вершину, ризикуючи здоров’ям, заради виявлення сигналів екзотичної нової фізики.

І вони з командою таки відкрили екзотичну нову фізику. Як висловився Сесіл Пауелл, колега Оккіаліні з Брістолю (і майбутній нобелівський лауреат, при тому що Оккіаліні, який власне здійснив сходження, залишився без премії), вони побачили «…зовсім новий світ. Це було, наче ми раптово вдерлися до обнесеного муром саду, де пишно росли заповідні дерева й щедро достигали найрізноманітніші екзотичні фрукти».

Їхнє відкриття було не настільки поетичним: два випадки, коли початковий мезон зупинявся в емульсії й породжував другий мезон, точно як передбачали теоретики. Значно більше таких випадків вдалося зафіксувати, коли емульсії підняли на вершину, майже удвічі вищу за Пік-дю-Міді. У жовтні 1947 року Пауелл, Оккіаліні й студентка Пауелла Сезар Латтес опублікували в журналі «Nature» статтю, у якій назвали початковий мезон, який взаємодіяв із ядерною силою, що відповідала мезону Юкави, піоном, а подальший мезон – мюоном.

Було схоже на те, що мезон Юкави нарешті відкрито. Що ж до його «напарника» мюона, який спершу прийняли за мезон Юкави, він виявився зовсім на нього не схожим. Він не був безспіновим, натомість маючи такий самий спін, як в електрона й протона. І його взаємодії з матерію й близько не були достатньо сильними, щоб відігравати роль у ядерному зв’язуванні. Мюон виявився лише важкою, тому нестабільною копією електрона, і саме це спонукало Рабі поставити запитання: «Хто це замовив?»

Отже, урешті-решт Юкаву прославила не та частинка, яку він передбачив. Його ідея стала відомою тому, що результати його оригінального експерименту були хибно проінтерпретовані. На щастя, Нобелівський комітет дочекався відкриття піона 1947 року, і лише після цього, 1949-го, присудив Юкаві свою премію.

Утім, з огляду на весь цей список помилок і хибних позначень, логічно запитати, чи дійсно піон – та частинка, яку передбачив Юкава? Відповідь: і так, і ні. Дійсно, обмін зарядженими піонами між протонами й нейтронами є одним із надійних способів спробувати оцінити сильну ядерну силу, що тримає ядра вкупі. Проте на додачу до заряджених піонів – вони ж передбачені Юкавою мезони – існують ще й нейтральні піони. Хто замовив їх?

Мало того, теорія, яку застосував Юкава для опису сильної сили, як і теорія Фермі для опису нейтронного розпаду, була не зовсім математично узгодженою, що визнавав сам Юкава, коли її пропонував. На той час не існувало правильної релятивістської теорії, що охоплювала б обмін масивними частинками. Досі чогось бракувало, тож низка несподіваних експериментальних відкриттів у поєднанні з пророцькими теоретичними ідеями, які, на жаль, були застосовані до неправильних теорій, спричинила плутанину, що тривала більш ніж десятиліття, аж доки туман не розсіявся й у кінці тунелю, чи, радше, на вході в печеру, не з’явилося світло.

Розділ 12

Марш титанів

І замешкає вовк із вівцею, і буде лежати пантера з козлям…

Ісая 11:6

Взаємозв’язок між теоретичною проникливістю й експериментальним відкриттям є одним із найцікавіших аспектів прогресу науки. Як і вся наука, фізика за своєю суттю є емпіричною дисципліною. Проте подеколи короткочасні сплески теоретичної проникливості все змінюють. Гарними прикладами, безумовно, є прозріння Ейнштейна щодо простору й часу впродовж перших двох десятиліть ХХ століття, а також визначний теоретичний прогрес, пов’язаний із розвитком квантової механіки зусиллями Шрьодінґера, Гайзенберга, Паулі, Дірака та інших упродовж 1920-х років.

Значно меншу славу має період із 1954 до 1974 року, який, хоч і не був настільки ж революційним, через достатню кількість років вважатиметься однією з найврожайніших та найпродуктивніших для теоретичної фізики ер у ХХ столітті. Ці два десятиліття, хоч і не без потрясінь, привели нас від хаосу до порядку, від збентеження до впевненості, від потворності до краси. Це карколомна поїздка з кількома раптовими змінами маршруту, які можуть здатися чудернацькими, проте я дуже прошу вас набратися терпіння. Якщо почуватиметеся трохи незручно, згадайте, що я казав у вступі про науку й комфорт. Лише помістивши себе в систему роздумів тих, хто брав участь у цих пошуках і чиє роздратування зрештою привело до здогадок, можна по-справжньому оцінити значення цих самих здогадок.

Цей буремний період змінив той, коли експериментальні блокбастери породили загальне сум’яття, зробивши природу «усе дивнішою й дивнішою», як висловився б Льюїс Керрол. Відкриття позитрона, а невдовзі після того – нейтрона, були лише початком. Нейтронний розпад, ядерні реакції, мюони, піони й ціла купа нових елементарних частинок після них справляли враження, що фундаментальна фізика безнадійно ускладнена. Проста картина всесвіту, у якій взаємодією матерії, утвореної з протонів та електронів, керували суто електромагнетизм і гравітація, відправилася на смітник історії. Деякі тогочасні фізики, як деякі нинішні прихильники правих політичних поглядів, сумували за часто згадуваною в спотвореному вигляді простотою добрих давніх часів.

До початку 1960-х років новознайдена складність спонукала декого уявити собі, що ніщо не є фундаментальним. В уявленій ними дзеноподібній картині всі елементарні частинки складалися з усіх інших елементарних частинок, і навіть саме поняття фундаментальних сил могло бути не більш ніж ілюзією.

Утім, на задньому плані потроху просочувалися теоретичні ідеї, які відсунуть темні завіси невігластва та збентеження й відкриють базисну структуру природи, яка виявиться настільки ж дивовижною, наскільки напрочуд простою, і в якій ключову роль знову відіграватиме світло.

Усе почалося з двох теоретичних розробок, одна з яких була ґрунтовною та маловідомою, а друга – відносно прямолінійною та вшанованою практично одразу. Що цікаво, до обох мала стосунок та сама людина.

Народжений 1922 року в родині математика, Янг Чженьнін здобув освіту в Китаї, а 1938 року переїхав із Пекіна до Куньміна, рятуючись від японського вторгнення. Чотири роки по тому він закінчив Національний південно-західний об’єднаний університет, у якому залишився ще на два роки. Там він зустрів іншого вимушеного переїхати до Куньміна студента – Лі Цзун-дао. Хоча вони дуже мало знали про США, 1946 року обидва одержали засновані урядом США на отримані від Китаю кошти стипендії, метою яких було надати можливість талановитим китайським студентам здобути вищу освіту в Америці. Янг уже мав магістерський ступінь, тобто більше свободи у виборі шляху до здобуття докторського ступеня, і разом із Фермі переїхав із Колумбійського до Чиказького університету. Лі ще не мав ступеня магістра, тож його вибір був вужчим, проте єдиним американським вищим навчальним закладом, у якому він міг працювати безпосередньо над здобуттям докторського ступеня, виявився той-таки Чиказький університет. Янг написав дисертацію під керівництвом Едварда Теллера й безпосередньо працював із Фермі як його асистент упродовж лише року після випуску, тоді як Лі писав свою дисертацію під безпосереднім керівництвом Фермі.

Упродовж 1940-х років Чиказький університет був одним із найбільших центрів теоретичної й експериментальної фізики в країні, і його докторанти мали величезну вигоду від спілкування зі славетною плеядою науковців, яка включала не лише Фермі й Теллера, а й багатьох інших, зокрема блискучого, проте скромного астрофізика Субрахманьяна Чандрасекара. У 19-річному віці Чандра, як його часто називали колеги, довів, що зорі, чиї маси перевищували масу Сонця більш ніж в 1,4 разу, по закінченні свого життя, пов’язаного зі спаленням ядерного палива, мають катастрофічно колапсувати або шляхом того, що нині відоме як вибух наднової, або безпосередньо в те, що нині відоме як чорна діра. Хоча в той час над його теорією потішалися, сорок три роки по тому він отримав за цю роботу Нобелівську премію.

Чандра був не просто блискучим науковцем, а ще й, як Фермі, відданим учителем. Попри те, що він проводив дослідження в Єркській обсерваторії в штаті Вісконсин, щотижня він здійснював стомильну подорож в обидва кінці, щоби провести заняття для лише двох записаних студентів, Лі та Янга. Урешті-решт усі учні цього класу разом зі своїм професором стали Нобелівськими лауреатами, що, наскільки мені відомо, є унікальним випадком в історії науки.

1949 року Янг переїхав до уславленого Інституту перспективних досліджень у Принстоні, де плекав їхню з Лі товариську співпрацю з різноманітних тем. 1952 року Янг став постійним членом Інституту, а Лі 1953 року переїхав до сусіднього Колумбійського університету в Нью-Йорку, де пропрацював решту своєї кар’єри.

Кожен із цих чоловіків зробив значні внески в різноманітні галузі фізики, проте спільна робота, яка зробила їх знаменитими, почалася з дивного експериментального результату, знов-таки одержаного під час спостереження космічних променів.

Того ж року, коли Янг переїхав із Чикаго до ІПД, Сесіл Пауелл, першовідкривач піона, відкрив у космічних променях нову частинку, яку назвав тау-мезоном. Спостереження показали, що ця частинка розпадається на три піони. Невдовзі було відкрито ще одну нову частинку, яку назвали тета-мезоном і яка розпадалася на два піони. Що цікаво, маса й час життя цієї нової частинки виявилися точно такими самими, як у тау-мезона.

Це може здатися не таким уже й дивним. Що, як це та сама частинка, просто здатна згідно зі спостереженнями розпадатися двома різними способами? Пригадаймо, що у квантовій механіці дозволено все, що не заборонено, і допоки нова частинка є достатньо важкою, щоб розпастися на два чи три піони, – а слабка сила допускає такі розпади, – відбуватися мають обидва.

Проте якщо слабка сила має сенс, вона не повинна допускати одночасно два різні розпади.

Задумайтеся на хвильку про свої руки. Ваша ліва рука відрізняється від вашої правої руки. Жоден простий фізичний процес, за винятком хіба що проходження крізь дзеркало, не може перетворити одну вашу руку на другу. Жодна послідовність рухів угору чи вниз, жоден поворот чи підстрибування вгору-вниз не можуть перетворити одну руку на другу.

Сили, що керують нашими чуттями, електромагнетизм і гравітація, не розрізняють лівий і правий боки. Жоден процес, що відбувається під дією якоїсь із цих сил, не може обернути щось на кшталт вашої правої руки на її дзеркальне відображення. Скажімо, я не можу обернути вашу праву руку на ліву, просто посвітивши на неї.

Іншими словами, якщо я посвічу на вашу праву руку й погляну на неї з деякої відстані, інтенсивність відбитого світла буде такою самою, якщо я посвічу на вашу ліву руку. Світлу, яке від чогось відбивається, байдуже, лівий це бік чи правий.

Наше визначення лівого й правого нав’язане нам людською нормою. Завтра ми можемо вирішити, що лівий бік є правим і навпаки, і не зміниться нічого, крім наших позначень. Я пишу ці рядки в літаку, в економ-класі, і людина праворуч від мене дуже відрізняється від людини ліворуч від мене, проте це лише випадковий збіг обставин. Я не очікую, що закони, які керують польотом мого літака, працюватимуть для його правого крила одним чином, а для лівого – іншим.

Тепер подумаймо, як це виглядає в субатомному світі. Пригадаймо, що Енріко Фермі виявив, що, згідно з правилами квантової механіки, математична поведінка груп пар елементарних частинок залежить від того, чи мають вони спін ½, себто чи є вони ферміонами. Поведінка груп ферміонів суттєво відрізняється від поведінки таких частинок, як фотони, зі значенням спіну, рівним 1 (або будь-яким цілочисельним значенням обертального кутового моменту, себто 0, 1, 2, 3 тощо). Для прикладу, математична «хвильова функція», яка описує пару ферміонів, є «антисиметричною», тоді як функція, котра описує пару фотонів, «симетрична». Це означає, що, якщо поміняти частинки місцями, хвильова функція, яка описує ферміони, змінить знак. Проте для таких частинок, як фотони, хвильова функція після обміну залишиться незмінною.

Поміняти дві частинки місцями рівносильно їх відображенню в дзеркалі. Частинка ліворуч стає частинкою праворуч. Таким чином, існує тісний взаємозв’язок між такими обмінами й тим, що фізики називають парністю, яка є загальною властивістю системи в умовах відображення (себто заміни лівого боку правим і навпаки).

Якщо елементарна частинка розпадається на дві інші частинки, хвильова функція, яка описує «парність» кінцевого стану (себто чи змінює хвильова функція знак при ліво-правому обміні частинок), дає нам змогу приписати початковій частинці величину, яку можна назвати парністю. У квантовій механіці, якщо сила, котра керує розпадом, не розрізняє лівий і правий боки, тоді розпад не змінить парність квантового стану системи.

Якщо хвильова функція системи після розпаду антисиметрична стосовно перестановки частинок, тоді система має «негативну» парність, тобто є непарною. У цьому випадку хвильова функція, яка описує початковий квантовий стан частинки, що розпадається, також повинна бути непарною (себто має змінювати знак при перестановці лівого й правого боків місцями).

Далі, піони – частинки, відкриті Пауеллом та гіпотетично передбачені Юкавою, непарні, тож хвильова функція, яка описує квантовий стан їхнього дзеркального відображення, матиме протилежний знак порівняно з початковою хвильовою функцією. Розрізнення між парністю й непарністю чимось нагадує розгляд, з одного боку, правильного сферичного м’ячика, який у дзеркалі виглядає ідентично, а отже, є парним:

А з другого боку, скажімо, ваша рука, яка у дзеркалі змінює характер (з лівого на правий), а отже, є непарною:

З огляду на ці дещо абстрактні роздуми, дані спостережень розпадів нових частинок, які відкрив Пауелл, ставили дослідників у глухий кут. Оскільки піон непарний, два піони повинні бути парними, адже (-1)2 = 1. Проте система з трьох піонів, за цими ж роздумами, є непарною, оскільки (-1)3 = -1. Таким чином, якщо в результаті розпадів частинок парність не змінюється, та сама початкова частинка не може розпадатися на два різні кінцеві стани з різною парністю.

Якби сила, відповідальна за цей розпад, поводилася, як усі інші відомі на той час сили на кшталт електромагнетизму чи гравітації, вона була б сліпа щодо парності (не відрізняла б лівий бік від правого), тож після розпаду вона не змінювала б початкову парність системи, точно як освітлення вашої правої руки не змушує її виглядати, як ваша ліва рука.

Оскільки видавалося неможливим, щоб частинки одного типу іноді розпадалися на два, а іноді на три піони, рішення здавалося простим. Має бути дві різні нові елементарні частинки з протилежними характеристиками парності. Пауелл назвав їх тау-частинкою й тета-частинкою, і одна з них розпадалася на два піони, а друга – на три.

Спостереження показували, що ці дві частинки мають точно однакові маси й час життя, що було трохи дивним, проте Лі і Янг висловили припущення, що це може бути загальною характеристикою різних елементарних частинок, які, на їхню думку, трапляються парами з протилежною парністю. Вони назвали цю ідею «дублюванням парності».

Такою була ситуація навесні 1956 року, коли відбулася Міжнародна конференція з фізики високих енергій, яка щорічно збиралась у Рочестерському університеті. 1956 року вся спільнота фізиків, які цікавилися ядерною фізикою та фізикою елементарних частинок, могла поміститися в одній університетській лекційній залі, тож усі ці вчені, зокрема всі основні гравці, традиційно приїздити на цю щорічну зустріч. Цього разу сталося так, що в одній кімнаті опинилися Річард Фейнман та Марті Блок. Як експериментатор, Блок не був настільки обтяжений можливою єрессю, властивою ідеї, що якась сила природи не була сліпою до розрізнення правого й лівого боку, тож він спитав Фейнмана, чи може бути так, що слабка взаємодія, яка керує виявленими Пауеллом розпадами, може відрізняти лівий бік від правого. Це дало б можливість одній частинці розпадатися на стани з різною парністю, а отже, тау-й тета-мезони могли бути тією самою частинкою.

Блоку бракувало зухвалості підняти це питання на відкритому засіданні, а от Фейнман це зробив, хоча сам особисто вважав це дуже малоймовірним. Янг відповів, що вони з Лі про це думали, але досі з цієї ідеї нічого не вийшло. Юджин Вігнер, який пізніше здобуде Нобелівську премію за роз’яснення важливості речей на кшталт парності для атомної та ядерної фізики, також був присутній і також поставив аналогічне питання щодо слабкої взаємодії.

Проте всі лаври дістаються переможцеві, і одна справа – теоретизувати щодо можливого порушення парності новою силою природи, здатною відрізняти лівий бік від правого, а зовсім інша – продемонструвати це. Через місяць Лі та Янг сиділи в нью-йоркському кафе й вирішили вивчити всі відомі експерименти, пов’язані зі слабкою взаємодією, аби перевірити, чи бодай якийсь із них може перекреслювати можливість порушення парності. На їхній величезний подив виявилося, що жоден експеримент не давав на це запитання чіткої відповіді.

Як пізніше казав Янг, «той факт, що збереження парності за слабкої взаємодії так довго бралося на віру без експериментальних підтверджень, приголомшував. Проте ще приголомшливішим була перспектива порушення так добре вивченого фізиками закону симетрії простору-часу. Ця перспектива нас не захоплювала».

До честі Лі та Янга, вони запропонували ціле розмаїття експериментів, які могли б перевірити можливість того, що слабка взаємодія розрізняє правий і лівий боки. Вони запропонували розглянути бета-розпад нейтрона в ядрі кобальта-60. Оскільки це радіоактивне ядро має ненульовий обертальний кутовий момент, тобто поводиться так, наче воно обертається, то також поводиться як маленький магніт. У зовнішньому магнітному полі ці ядра вишиковуються в напрямку поля. Якщо електрон, випущений при розпаді нейтрона в ядрі, переважно опиняється в якійсь одній півкулі, це буде ознакою порушення парності, оскільки в дзеркалі електрони опинятимуться в протилежній півкулі.

Якщо це було так, то вийшло б, що на фундаментальному рівні природа здатна відрізняти правий бік від лівого. Отже, створені людьми відмінності між ними (наприклад, зло проти добра) не є повністю штучними. Таким чином, світ у дзеркалі можна відрізнити від реального світу, або ж, як пізніше поетично висловився Річард Фейнман, можна скористатися цим експериментом, щоб надіслати повідомлення марсіянинові з поясненням, де розташоване «ліворуч» – скажімо, там, де перебуває півкуля, у якій за спостереженнями виникає більшість електронів, – без необхідності показувати це графічно.

На той час це здавалося настільки притягнутим за вуха, що багато кого з фізичної спільноти це потішило, проте ніхто не побіг виконувати цей експеримент. Ніхто, крім колеги Лі з Колумбійського університету, експериментаторки Ву Цзяньсун, також відомої як Мадам Ву.

Навіть нині ми сумуємо через брак фізиків-жінок, що їх випускають американські освітні заклади, а 1956 року ситуація була значно гірша. Якщо вже на те пішло, аж до кінця 1960-х років жінок навіть не приймали на бакалаврат у заклади Ліги плюща.[7] Майже через тридцять років після приїзду Ву з Китаю для навчання в Берклі в 1936-му в присвяченій їй статті в «Newsweek» вона зазначала: «Це ганьба, що в науці так мало жінок… У Китаї у фізиці багато, багато жінок. В Америці побутує хибне уявлення, що жінки-науковці – неохайні старі дівки. Це провина чоловіків. У китайському суспільстві жінку цінують за те, ким вона є, і чоловіки заохочують її до звершень, проте при цьому вона завжди лишається жіночною».

Хай там як, Ву була експертом із нейтронного розпаду, і коли вона від своїх друзів Лі та Янга дізналася про порушення парності в слабкій взаємодії, її заінтригувала бентежна можливість пошукати її. Вона скасувала відпочинок із чоловіком у Європі, і в червні, через місяць після того, як Лі та Янг вперше подумали про цю проблему, заходилася експериментувати, і вже до жовтня того ж року – у тому ж місяці, коли вийшла друком стаття Лі та Янга – вона з кількома колегами зібрала необхідне для проведення експерименту обладнання. Через два дні після тогорічного Різдва вже був результат.

У наші часи від розробки експерименту з фізики елементарних частинок до його завершення можуть минути десятиліття, проте в 1950-х роках усе було не так. Також то був час, коли фізики, судячи з усього, не переймалися взяттям відпусток. Попри свята, п’ятничні «китайські обіди», що їх організовував Лі, тривали, і в першу п’ятницю після Нового року Лі оголосив, що група Ву в результаті експерименту відкрила не просто порушення парності, а максимально можливе її порушення. Результат був настільки несподіваним, що група Ву продовжувала роботу, аби пересвідчитися, що їх не ввела в оману якась експериментальна помилка.

Водночас Леон Ледерман із колегами Діком Ґарвіном та Марселем Вайнріхом, які також працювали в Колумбійському університеті, збагнули, що вони можуть перевірити результати своїх експериментів із піонними та мюонними розпадами на університетському циклотроні. Уже за тиждень обидві групи, а також Джеррі Фрідман та Вел Телегді в Чикаго незалежно підтвердили одержаний результат із великою впевненістю й до середини січня 1957 року подали свої статті до «Physical Review». Вони змінили нашу картину світу назавжди.

Колумбійський університет скликав, напевне, першу в історії прес-конференцію для оголошення наукового результату. Фейнман програв 50 доларів, а от Вольфгангу Паулі пощастило більше. 15 січня він написав із Цюриха листа Вікторові Вайскопфу в МТІ, у якому закладався, що експеримент Ву не виявить порушення парності, не знаючи, що він уже це виявив. У листі Паулі проголосив: «Я відмовляюся вірити, що Бог слабкий ліворукий», – продемонструвавши заодно несподівану пристрасть до бейсболу. Вайскопф, який на той час уже знав про отриманий результат, був надто добрий, щоб прийняти парі.

Пізніше, почувши новини, Паулі писав: «Тепер, коли перший шок минув, я починаю брати себе в руки». То був дійсно шок. Ідея, що одна з фундаментальних сил природи розрізняє правий і лівий бік, була просто-таки ляпасом здоровому глузду, а заодно й більшості основ сучасної фізики в тому вигляді, на якому вона розумілася тоді.

Шок був настільки великим, що той рік став одним із лише кількох разів в історії Нобелівських премій, коли волю Нобеля було дотримано як слід. Його заповіт вказує, що премія в кожній галузі має присуджуватися людині або людям, чия робота була найважливішою того року. У жовтні 1957-го, майже рівно через рік після публікації статті Лі та Янга, та лише через десять місяців після підтвердження їхньої ідеї Ву та Ледерманом, 30-річний Лі та 34-річний дорослий з обличчям дитини Янг спільно отримали за свою ідею Нобелівську премію. На жаль, Мадам Ву, яку називали китайською мадам Кюрі, була вимушена вдовольнитися здобуттям двадцять років по тому першої Премії Вольфа з фізики.

Зненацька слабка взаємодія стала одночасно цікавішою та заплутанішою. Теорія Фермі, якої досі було цілком достатньо, була грубо скопійована з електромагнетизму. Електромагнітну взаємодію можна розглядати як силу між двома різними електричними струмами, які відповідають двом окремим рухомим електронам, що взаємодіють між собою. Слабку взаємодію можна розглядати дещо аналогічним чином, якщо в одному зі струмів нейтрон під час взаємодії конвертується в протон, а в іншому струмі перебувають вихідний електрон і нейтрино.

Проте є дві ключові відмінності. У слабкій взаємодії Фермі два різні струми взаємодіють в одній точці, а не дистанційно; також струми в слабкій взаємодії в процесі поширення простором допускають зміну частинками їхнього типу.

Тоді як електромагнітні взаємодії в дзеркалі такі самі, як і в реальному світі, у слабкій взаємодії, якщо порушується парність, її «струми» повинні мати, як указував Паулі, «хіральність», як у штопора чи ножиць, і їхні дзеркальні відображення відрізнятимуться.

Таким чином, порушення парності в слабких взаємодіях нагадує правило етикету, згідно з яким ми завжди робимо рукостискання правицею. У дзеркальному світі люди завжди робитимуть рукостискання лівицями. Отже, реальний світ відрізняється від свого дзеркального відображення. Якщо струми в слабкій взаємодії мають хіральність, то слабка взаємодія здатна розрізняти правий і лівий боки, і в дзеркальному світі відрізнятиметься від сили, що діє в нашому з вами світі.

Спроби фізиків визначити, які саме типи нової можливої взаємодії можуть замінити просту міжструменеву взаємодію Фермі, у рамках якої задіяним частинкам не можна було приписати жодної очевидної хіральності, призвели до чималих зусиль та бентежень. Теорія ймовірності допускала велике розмаїття можливих узагальнень взаємодії Фермі, проте результати різних експериментів приводили до різних і взаємовиключних математичних форм цієї взаємодії, тож видавалося неможливим, що всі вони можуть бути пояснені однією універсальною слабкою взаємодією.

Десь о тій порі, коли з’явилися перші експериментальні результати стосовно нейтронного й мюонного розпадів, які свідчили, що порушення парності було настільки великим, наскільки це взагалі можливо, юний докторант Рочестерського університету Джордж Сударшан почав вивчати цю заплутану ситуацію та запропонував те, що зрештою виявилося правильною формою універсальної взаємодії, здатної замінити форму Фермі, і що також вимагало, аби принаймні деякі з одержаних на той час експериментальних результатів виявилися хибними.

Решта історії дещо трагічна. Сударшан попросив дозволу представити свої результати на Рочестерській конференції, яка відбувалася через три місяці після відкриття порушення парності й через рік після того, як Лі та Янг представили свої перші міркування стосовно дублювання парності. Проте через те, що він був лише докторантом, йому відмовили. Його науковий керівник Роберт Маршак, який і запропонував Сударшану взятися за цю дослідницьку проблему, на той час уже займався іншою проблемою ядерної фізики й вирішив доповідати на засіданні саме на цю тему. Інший член факультету, якого попросили згадати у своєму виступі роботу Сударшана, також про це забув. Тож на цьому засіданні дискусія щодо можливої форми слабкої взаємодії в підсумку завершилася нічим.

До цього, 1947 року, Маршак був першим, хто висловив думку, що в ході експериментів Сесіла Пауелла було відкрито два різні мезони, причому один був частинкою, що її передбачив Юкава, а другий – тим, що нині зветься мюоном. Також Маршак започаткував Рочестерську конференцію і, можливо, вважав, що, якщо дозволить виступати на ній своєму учневі, це сприймуть як фаворитизм. Крім того, оскільки ідея Сударшана вимагала хибності принаймні частини експериментальних даних, Маршак, можливо, вирішив, що презентувати її на цьому засіданні зарано.

Того літа Маршак працював у «RAND Corporation» у Лос-Анджелесі й запросив Сударшана та ще одного студента приєднатися до нього. Двоє найвизначніших на той час фізиків-теоретиків у галузі елементарних частинок, Фейнман і Маррі Гелл-Манн, працювали в Калтеху, і обома оволоділа одержимість розгадати таємницю форми слабкої взаємодії.

Фейнман упустив відкриття порушення парності, не довівши власної лінії роздумів до логічного завершення, проте відтоді зрозумів, що його робота над квантовою електродинамікою може пролити світло на слабку взаємодію. Він відчайдушно жадав це зробити, оскільки вважав свою роботу над КЕД усього-на-всього невеличким технічним чаклунством, значно менш благородним за відшукування форми закону, що керує ще одним різновидом фундаментальних взаємодій у природі. Проте форма слабкої взаємодії, яку Фейнман запропонував, на перший погляд також суперечила тогочасним експериментальним даним.

Упродовж 1950-х років Гелл-Манн став автором багатьох найважливіших та найдовговічніших із тогочасних ідей у фізиці елементарних частинок. Він був одним із двох фізиків, які висловили думку, що протони й нейтрони складаються з більш фундаментальних частинок, які він назвав кварками. Гелл-Манн мав свої причини розмірковувати над парністю та слабкою взаємодією. Значній частині свого успіху він завдячував зосередженню на нових математичних симетріях у природі, і з-поміж іншого вчений використав ці ідеї для створення нової можливої форми слабкої взаємодії, проте знов-таки його ідея суперечила даним експериментів.

Під час перебування в Лос-Анджелесі Маршак улаштував обід Сударшана з Гелл-Манном для обговорення їхніх ідей. Вони також зустрілися з видатним експериментатором Феліксом Боемом, чиї експерименти, за його словами, уже узгоджувалися з їхніми ідеями. Від Гелл-Манна Сударшан та Маршак дізналися, що його ідеї узгоджувалися з пропозицією Сударшана, проте в найкращому випадку Гелл-Манн планував включити згадку про це лише в один з абзаців довгої оглядової статті на тему слабкої взаємодії.

Тим часом Маршак і Сударшан готували статтю, присвячену їхній ідеї, і Маршак вирішив приберегти її для презентації на міжнародній конференції в Італії восени. Дізнавшись від Боема про нові експериментальні дані, Фейнман у досить-таки сильному збудженні вирішив, що його ідеї правильні, і почав писати свою статтю на цю тему. Гелл-Манн, який мав украй змагальну вдачу, вирішив, що, якщо Фейнман пише статтю, він має написати свою. Урешті-решт керівник їхнього факультету переконав їх, що вони мають писати статтю разом, і це вони й зробили, і ця їхня стаття стала знаменитою. Хоча в ній Фейнман і Гелл-Манн віддавали належне Сударшану й Маршаку за дискусії, у збірнику тез конференції стаття останніх була розташована ближче до кінця й не могла конкурувати за увагу спільноти.

Пізніше, 1963 року, Фейнман, який намагався бути щедрим з ідеями, публічно заявив: «Цю… теорію відкрили Сударшан і Маршак, а опублікували її Фейнман і Гелл-Манн…» Проте це було наче мертвому припарка. Навіть на піку слави Сударшану було б складно змагатися за популярність із Фейнманом та Гелл-Манном, тож йому довелося впродовж багатьох років жити з усвідомленням, що універсальна форма слабкої взаємодії, яку відкрили двоє з героїв світової фізики, уперше й значно більш упевнено була запропонована саме ним.

Теорія Сударшана, чудово роз’яснена в статті Фейнмана й Гелл-Манна, стала відома під назвою V-A-теорії слабкої взаємодії. Причина вибору такої назви вимагає довгих пояснень і стане зрозумілішою в наступних розділах, проте фундаментальна ідея проста, хоч і звучить одночасно сміховинно й безглуздо: струми в теорії Фермі мають бути «ліворукими».

Щоб зрозуміти цю термінологію, пригадаймо, що у квантовій механіці елементарні частинки на кшталт електронів, протонів та нейтрино мають обертальний кутовий момент – поводяться, наче вони обертаються, хоча з точки зору класичної фізики точкову частинку без протяжності не можна зобразити такою, що обертається. Тепер розглянемо напрямок їх руху та на мить зробимо вигляд, що частинка схожа на дзиґу, яка обертається довкола своєї осі. Простягніть праву руку й виставте великого пальця в напрямку руху частинки. Тоді зігніть решту пальців. Якщо вони згинаються в тому ж напрямку (проти годинникової стрілки), у якому частинка/дзиґа обертається стосовно напрямку руху, то частинку називають праворукою. Якщо ви простягнете ліву руку й зробите те саме, ліворука частинка обертатиметься за годинниковою стрілкою, що збігатиметься з напрямком згину пальців на вашій лівій руці:

Точно так само, як у дзеркалі ваша ліва рука виглядатиме як права, якщо ви подивитеся на дзеркальне відображення стрілки, що обертається, напрямок її руху буде протилежним, тобто, якщо в реальному світі стрілка від вас віддаляється, у дзеркалі вона рухатиметься до вас, проте напрямок її обертання не зміниться. Таким чином, у дзеркалі ліворука частинка перетворюється на праворуку (а отже, якби бідолахи з Платонової печери мали дзеркала, їх би не настільки здивувала зміна орієнтації тіней стрілок).

Ця робоча картина ліворуких частинок не є строгою, адже, якщо над нею замислитися, станеться, що ліворуку частинку можна перетворити на праворуку, просто рухаючись швидше за неї. У системі відліку, у якій особа в стані спокою спостерігає за частинкою, що пролітає повз неї, остання може рухатися ліворуч. Проте якщо заскочити в ракету та полетіти ліворуч і пролетіти повз цю частинку, то стосовно вас вона рухатиметься праворуч. Таким чином, наведений вище опис правильний лише для частинок, які не мають маси, а відтак рухаються зі швидкістю світла. Адже, якщо частинка рухається зі швидкістю світла, ніщо не може рухатися настільки швидко, щоби пролетіти повз неї. Математично визначення ліворукості має все це враховувати, проте нам із вами перейматися цим ускладненням більше немає потреби.

Електрони можуть обертатися в будь-якому напрямку, проте математично з V-A-взаємодії випливає, що «відчувати» слабку силу й брати участь у нейтронному розпаді можуть лише такі рухомі електрони, чиї струми є ліворукими. Праворукі струми не відчувають цієї сили.

Ще більш приголомшливим є те, що нейтрино відчувають лише слабку силу й жодну іншу. Наскільки ми можемо судити, нейтрино бувають лише ліворукими. Ідеться не про те, що лише один різновид нейтринного струму вступає в слабку взаємодію. Досі в усіх до єдиного експериментальних спостереженнях не було виявлено жодного праворукого нейтрино, що можна вважати найяскравішою демонстрацією порушення парності в природі.

Для мене удавана дурість цієї номенклатури була підкреслена багато років тому, під час перегляду епізоду серіалу «Зоряний шлях: Глибокий космос 9», у якому офіцер із науки цієї космічної станції виявляє, що в ігорному казино щось негаразд із законами ймовірності. Вона пропускає крізь заклад нейтринний промінь і на виході спостерігає тільки ліворукі нейтрино. Очевидно, що щось тут не так.

За винятком того, що так воно насправді і є.

Що не так із природою? Як так сталося, що принаймні для однієї з фундаментальних сил лівий бік відрізняється від правого? Проста відповідь на ці запитання така: ми наразі не знаємо, хоча від цього в остаточному підсумку залежить саме наше існування, яке спирається на природу відомих сил. Це одна з причин, чому ми намагаємося це з’ясувати. Відкриття нової сили призвело до нової головоломки, і, як і більшість головоломок у науці, ця зрештою надала ключ, який указав фізикам новий шлях пізнання. Дізнавшись, що природі бракує ліво-правої симетрії, яку всі звикли вважати фундаментальною, фізики були змушені переглянути, як симетрії проявляються у світі і, що важливіше, як вони не проявляються.

Розділ 13

Нескінченна кількість найпрекрасніших форм: симетрія завдає удару у відповідь

А віра то підстава сподіваного, доказ небаченого.

До Євреїв 11:1

Запозичивши вислів Паулі, маємо всі підстави стверджувати, що Матінка Природа є слабким ліворуким. Переживши приголомшливе усвідомлення, що природа відрізняє лівий бік від правого, фізика, своєю чергою, зробила дивний лівий поворот на шлях без знайомих дороговказів. Чудова впорядкованість періодичної таблиці, яка регулює явища в атомних масштабах, поступилася місцем таємниці ядра й незбагненній природі сил, що ним керують.

Минули часи світла, руху, електромагнетизму, гравітації й квантової механіки, що їх нині сприймають як безтурботні. Феєрично вдала теорія квантової електродинаміки, яка щойно перебувала на передньому краї фізики, схоже, поступилася місцем химерному світу екзотичних феноменів, пов’язаних із нещодавно відкритими слабкою й сильною ядерними силами, які правили бал у серці матерії. Попри те, що одна з цих сил була в тисячі разів сильнішою за іншу, їхні наслідки та властивості було непросто виокремити. Світ фундаментальних частинок виглядав іще складнішим, аніж досі, і з кожним роком ситуація дедалі більше заплутувалася.

* * *

Якщо відкриття порушення парності кинуло тіні збентеження, продемонструвавши, що природа має абсолютно непередбачувані забаганки, перші промені світла постали з усвідомлення, що інші ядерні величини, які на перший погляд здавалися вкрай відмінними, з фундаментальної точки зору можуть виявитися зовсім не такими різними.

Гадаю, найважливішим відкриттям у ядерній фізиці було те, що протони й нейтрони, як за кілька років до того припустив Юкава, можуть перетворюватися одні на одних. Це стало основою зародження розуміння слабкої взаємодії. Проте більшість фізиків відчувала, що це було також ключем до розуміння сильної сили, котра, як виявилося, тримає ядра вкупі.

За два роки до революційної спільної роботи з Лі Цзун-дао, яка не звертала уваги на священну ліво-праву симетрію природи, зусилля Янга Чженьніна були зосереджені на намаганнях зрозуміти, яким чином інший тип симетрії, запозичений із квантової електродинаміки, може пролити світло на приховану красу всередині ядра. Можливо, як з’ясував Галілей стосовно базових засад руху, найочевидніші речі, які ми спостерігаємо в природі, можуть одночасно бути саме тим, що ефективно маскує її фундаментальні властивості.

Поступово внаслідок не лише прогресу в розумінні нейтронного розпаду та інших слабких ефектів у ядрах, а й розгляду сильних ядерних зіткнень стало зрозуміло, що очевидна відмінність між протонами й нейтронами – перші мають заряд, а другі нейтральні – може не мати ніякого значення в контексті базисної фізики, що визначає властивості ядер. Чи принаймні мати таке ж значення, яке видима відмінність між пером і каменем, що падають, має для нашого розуміння базисної фізики гравітації об’єктів у падінні.

По-перше, слабка сила здатна конвертувати протони в нейтрони. Мало того, вивчаючи інтенсивності інших, сильніших ядерних реакцій, пов’язаних із зіткненнями протонів чи нейтронів, встановили, що заміна нейтронів протонами й навпаки несуттєво впливає на результати.

Того ж 1932 року, коли було відкрито нейтрон, Гайзенберг висунув припущення, що нейтрон і протон можуть бути всього-на-всього двома станами тієї самої частинки, і винайшов для їхнього розрізнення параметр, який назвав ізотопічним спіном. Урешті-решт їхні маси майже однакові, і світлостійкі ядра містять їх в однаковій кількості. Після цього, а також після встановлення авторитетними ядерними фізиками Бенедиктом Кассеном, Едвардом Кондоном, Грегорі Брейтом і Юджином Фінбергом, що ядерні реакції, схоже, здебільшого сліпі в плані розрізнення протонів і нейтронів, блискучий математичний фізик Юджин Вігнер висловив припущення, що в ядерних реакціях ізотопічний спін «зберігається», з чого випливала базисна симетрія, яка визначає поведінку ядерних сил між протонами й нейтронами. (Перед цим Вігнер розробив правила, що демонстрували, яким чином симетрії в атомних системах зрештою уможливлювали повну класифікацію атомних станів і переходів між ними, за що пізніше отримав Нобелівську премію).

Вище, обговорюючи електромагнетизм, я зазначав, що в рамках електромагнітних взаємодій загальний електричний заряд не змінюється – себто електричний заряд зберігається – через базисну симетрію між позитивними й негативними зарядами. Цей базисний зв’язок між законами збереження та симетріями значно ширший та глибший за один цей приклад. У минулому столітті саме глибокий та несподіваний взаємозв’язок між законами збереження та симетріями природи був найважливішим керівним принципом фізики.

Попри цю важливість, точне математичне відношення між законами збереження та симетріями строго вивела лише 1915 року видатна німецька жінка-математик Еммі Нетер. На жаль, незважаючи на те, що Нетер була однією з найвизначніших математиків початку ХХ століття, більшу частину своєї кар’єри вона працювала, не маючи ані офіційної посади, ані зарплатні.

На шляху Нетер було дві перешкоди. По-перше, вона була жінка, що ускладнювало здобуття нею на початку кар’єри освіти й пошуки роботи, а по-друге, – єврейка, що врешті-решт поклало край її академічній кар’єрі в Німеччині та змусило незадовго до смерті стати вигнанкою в США. Їй вдалося вступити в Ерлангенський університет, де вона була однією з двох жінок з-поміж 986 студентів, але навіть у такому разі для відвідування курсів їй було необхідно дістати окремий дозвіл від кожного з професорів. Зрештою вона склала випускний іспит і пізніше деякий час навчалася в славетному Геттінгенському університеті, після чого повернулася в Ерланген для завершення роботи над докторською дисертацією. Пропрацювавши сім років в Ерлангені як безоплатний викладач, 1915 року вона отримала запрошення від славетного математика Давида Ґілберта повернутися до Геттінгену. Проте університетські викладачі історії та філософії заблокували її призначення. Один із членів професорсько-викладацького складу висловив своє заперечення так: «Що подумають наші солдати, коли, повернувшись до університету, виявлять, що повинні навчатися в ногах жінки?» Ґілберт дав на це відповідь, яка змусила мене безмежно його поважати не лише за видатний математичний талант: «Я не розумію, як стать кандидатки може бути аргументом проти її прийому на посаду приват-доцента. Зрештою, це університет, а не лазня».

Утім, подання Ґілберта відхилили, і хоча Нетер викладала в Геттінгені впродовж наступних сімнадцяти років, їй почали платити лише з 1923-го, і, попри всі її визначні внески в численні галузі математики, – настільки численні й глибокі, що її часто зараховують до найвидатніших математиків ХХ століття, – вона так ніколи й не здобула посади професора.

Окрім того, 1915 року, невдовзі після приїзду до Геттінгену, вона довела теорему, нині відому як теорема Нетер, яку вивчають усі докторанти-фізики (або мають вивчати, якщо хочуть називатися фізиками).

* * *

Знову повертаючись до електромагнетизму, взаємозв’язок між довільним розрізненням між позитивним і негативним зарядами (якби Бенджамін Франклін краще розумів природу, визначаючи, що таке позитивний заряд, нині електрони, не виключено, позначали б як носії позитивного, а не негативного заряду) і збереженням електричного заряду – а саме що сумарний заряд у системі до та після будь-якої фізичної реакції залишається незмінним, – зовсім не очевидний. Насправді це наслідок із теореми Нетер, яка стверджує, що кожній фундаментальній симетрії природи – себто кожному перетворенню, у результаті якого закони природи виявляються незмінними, – відповідає певна збережувана фізична величина. Іншими словами, у процесі еволюції фізичних систем деяка фізична величина з часом не змінюється. Таким чином:

• закон збереження електричного заряду відображає той факт, що закони природи не змінюються в разі зміни знаків усіх електричних зарядів;

• закон збереження енергії відображає той факт, що закони природи не змінюються з часом;

• закон збереження імпульсу відображає той факт, що закони природи не змінюються при переміщенні з одного місця на інше;

• закон збереження кутового імпульсу відображає той факт, що закони природи не залежать від напрямку обертання системи.

Відповідно, заявлене збереження ізотопічного спіну в ядерних реакціях є відображенням експериментально перевіреного твердження, що, якщо всі протони замінити нейтронами й навпаки, ядерні взаємодії залишаться більш-менш такими самими. Це також відображено у світі наших чуттів, у тому факті, що принаймні в легких елементах кількість протонів і нейтронів у ядрі приблизно однакова.

1954 року Янг та його тодішній напарник Роберт Міллз, знов-таки розмірковуючи про світло, зробили важливий крок уперед. Електромагнетизм і квантова електродинаміка не лише мають просту симетрію, яка каже нам, що нема ніякої фундаментальної різниці між негативним і позитивним зарядом і що це позначення довільне. Як було розлого описано вище, тут працює ще одна, значно менш помітна симетрія, яка в остаточному підсумку й визначає завершену форму електродинаміки.

Калібрувальна симетрія електромагнетизму каже нам, що можна локально змінити визначення позитивного й негативного заряду, не змінюючи при цьому фізику, якщо існує поле, у цьому випадку електромагнітне поле, здатне врахувати всі такі локальні зміни й гарантувати, що далекосяжні сили взаємодії зарядів не залежать від цього перепозначення. Наслідком цього у квантовій електродинаміці є існування безмасової частинки – фотона, який є квантом електромагнітного поля й переносить силу між віддаленими частинками.

У цьому сенсі той факт, що калібрувальна інваріантність є симетрією природи, забезпечує те, що електромагнетизм має саме таку форму, яку він має. Саме ця симетрія визначає взаємодії між зарядженими частинками та світлом.

Далі Янг і Міллз поставили питання, що станеться, якщо розширити симетрію, з якої випливає, що ми можемо всюди поміняти нейтрони на протони й навпаки, не змінюючи фізику, до симетрії, яка дозволить нам у різних місцях по-різному вибирати, що позначати «нейтроном», а що – «протоном». За аналогією з квантовою електродинамікою очевидно, що для врахування та нейтралізації впливу цих довільних точкових змін позначень потрібне якесь нове поле. Якщо це поле є квантовим полем, то чи можуть пов’язані з ним частинки якимось чином грати роль або навіть повністю визначати природу ядерних сил між протонами й нейтронами?

То були захопливі питання, і слід віддати належне Янгу та Міллзу, які не лише поставили їх, а й спробували визначити відповіді шляхом дослідження, якими саме будуть математичні наслідки цього нового типу калібрувальної симетрії, пов’язаної з ізотопічним спіном.

Буквально одразу ж стало зрозуміло, що все набагато ускладниться. У квантовій електродинаміці просте перемикання знака зарядів між електронами й позитронами не змінює величини загального заряду кожної з частинок. Проте перепозначення частинок у ядрі замінює нейтральний нейтрон позитивно зарядженим протоном. Тож яке б поле не знадобилося для нейтралізації наслідків такого точкового перетворення заради незмінності базисної фізики, воно саме має бути зарядженим. Але якщо саме поле заряджене, то, на відміну від фотонів, які, будучи електрично нейтральними, безпосередньо не взаємодіють з іншими протонами, це нове поле має взаємодіяти саме із собою.

Введення потреби нового зарядженого узагальнення електромагнітного поля значно ускладнює математику, на яку спирається ця теорія. Передусім для врахування всіх таких перетворень ізотопічного спіну потрібне не одне поле, а одразу три – позитивно заряджене, негативно заряджене й нейтральне. Це означає, що одного поля в кожній точці простору, яке подібно до електромагнітного поля в КЕД указує в певному напрямку в просторі з певною величиною (і тому називається у фізиці векторним полем), уже недостатньо. Електричне поле необхідно замінити полем, яке описане математичним об’єктом під назвою «матриця» – не плутати ні з чим, до чого має стосунок Кіану Рівз.

Янг і Міллз дослідили математику, що крилася за цим новим та складнішим типом калібрувальної симетрії, який ми нині звемо або неабелевою калібрувальною симетрією через певну математичну властивість матриць, через яку їхнє множення відрізняється від множення чисел, або з поваги до Янга та Міллза симетрією Янга – Міллза.

На перший погляд стаття Янга й Міллза здається абстрактним, або суто умоглядним, математичним дослідженням наслідків припущення про можливу форму нової взаємодії, умотивованим спостереженням калібрувальної симетрії в електромагнетизмі. Проте вона не була вправою з чистої математики. Ця стаття була спробою дослідити можливі спостережувані наслідки цієї гіпотези, аби перевірити, чи має вона стосунок до реального світу. На жаль, математика була настільки складною, що можливі спостережувані сигнатури були далеко не очевидними.

Проте одна річ була очевидною. Для того, щоб ці нові «калібрувальні поля» враховували, а отже, нейтралізували наслідки окремих перетворень ізотопічного спіну у віддалених точках, вони, тобто поля, мали бути безмасовими. Це еквівалентне твердженню, що сила, яку протони передають від частинки до частинки, може бути як завгодно далекосяжною лише завдяки тому, що фотони безмасові. Повертаючись до моєї аналогії з шахівницею, якщо випадковим чином поміняти кольори клітинок, для здійснення правильних ходів на всій дошці потрібна одна загальна книга правил. Проте запровадження масивних калібрувальних полів, якими не можна обмінюватися на необмежено великих відстанях, еквівалентне створенню книги правил, котра пояснює, як нівелювати зміну кольорів лише в найближчих до відправної точки клітинках. Проте це не дасть вам змоги пересувати фігури на дошці у віддалені місця.

Коротше кажучи, калібрувальна симетрія на зразок характерної для електромагнетизму чи більш езотеричної пропозиції Янга – Міллза працює тільки в тому випадку, якщо нові поля, яких вимагає ця симетрія, безмасові. З-поміж усіх математичних складнощів цей конкретний факт є непорушним.

Проте в природі не спостерігають жодних, окрім електромагнетизму й гравітації, далекосяжних сил, що передбачають обмін безмасовими частинками. Ядерні взаємодії близькодійні, вони спрацьовують суто в межах ядра.

Ця очевидна проблема не пройшла повз Янга та Міллза, які її розгледіли та, відверто кажучи, сіли в калюжу. Вони висловили припущення, що якимось чином їхні нові частинки можуть ставати масивними в результаті взаємодії з ядром. Коли вони спробували оцінити їхні маси на основі неемпіричних обрахунків, теорія виявилася занадто складною математично, щоб мати змогу зробити прийнятні оцінки. Вони знали лише те, що емпірично маса нових калібрувальних частинок мала б бути більшою за масу піонів, адже в іншому випадку їх було б виявлено в ході тодішніх експериментів.

Така готовність підняти руки вгору може здатися або лінощами, або непрофесіоналізмом, проте Янг із Міллзом, як до того Юкава, знали, що ще нікому не вдалося виписати прийнятну квантову теорію поля частинки, яка була б подібна до фотона, проте, на відміну від нього, мала б масу. Тож на той момент здавалося, що не варто марно витрачати час та зусилля на спроби одним махом розв’язати всі проблеми квантової теорії поля. Натомість вони з більшою шанобливістю, аніж Джонатан Свіфт, подали свою статтю лише як скромну пропозицію з метою пришпорити уяву колег.

Вольфганг Паулі, одначе, був позбавлений її начисто. Хоча роком раніше він розмірковував щодо деяких споріднених ідей, він усі їх відкинув. Мало того, він вважав, що всі ці розмови про квантові невизначеності під час оцінювання мас були помилковим слідом. Якщо в природі дійсно існувала нова калібрувальна симетрія, яка була пов’язана з ізотопічним спіном та керувала ядерними силами, тоді нові янг-міллзівські частинки мали б бути безмасовими, точно як фотони.

Зокрема, саме з цієї причини стаття Янга й Міллза свого часу наробила значно менше шуму, аніж пізніший опус Янга та Лі. Для більшості фізиків то була в найкращому випадку цікава дивина, а відкриття порушення парності здавалося значно більш захопливим.

Проте не для Джуліана Швінґера, який не був пересічним фізиком. Вундеркінд, він у 18-річному віці закінчив університет, а у 21 рік захистив докторську дисертацію. Мабуть, важко знайти більш різних фізиків, аніж він та Річард Фейнман, які 1965 року розділили Нобелівську премію за окремі, проте еквівалентні праці з розробки теорії квантової електродинаміки. Швінґер був вишуканим, формальним та геніальним. Фейнман був геніальним, невимушеним і аж ніяк не вишуканим. Фейнман часто спирався на інтуїцію та вгадування, виїжджаючи за рахунок дивовижного математичного хисту й досвіду. Швінґерів математичний хист нічим не поступався фейнманівському, проте Швінґер працював акуратно, маніпулюючи складними математичними виразами з легкістю, недосяжною для простих смертних. Він жартував щодо діаграм Фейнмана, які той розробив задля полегшення страшенно трудомістких обрахунків у рамках квантової теорії поля: «Подібно до силіконових чипів, що з’явилися в останні роки, діаграма Фейнмана несла обрахунки в маси». Утім, у них обох була спільна риса. Вони крокували не в ногу з усіма… у протилежних напрямках.

Швінґер серйозно поставився до ідеї Янга – Міллза. Мабуть, його привабила її математична краса. Того ж 1957 року, коли відкрили порушення парності, Швінґер висунув сміливе та на перший погляд дуже малоймовірне припущення, що слабка взаємодія, відповідальна за розпад нейтронів на протони, електрони та нейтрино, може мати вигоду від можливості існування полів Янга – Міллза, проте в новий та незвичайний спосіб. Він запропонував ідею, що спостережувана калібрувальна симетрія електромагнетизму може бути лише частиною більшої калібрувальної симетрії, у якій нові калібрувальні частинки можуть переносити слабку взаємодію, яка змушує нейтрони розпадатися.

Очевидним запереченням проти такого роду об’єднання є те, що слабка взаємодія значно слабша за електромагнетизм. Швінґер мав на це відповідь. Якщо якимось чином нові калібрувальні частинки є дуже важкими, майже в сотню разів важчими за протони й нейтрони, тоді взаємодія, яку вони здатні передавати, матиме значно менший радіус дії, аніж навіть розмір ядра або навіть одного протона чи нейтрона. У цьому випадку можна вирахувати, що ймовірність того, що ця взаємодія змусить нейтрон розпастися, буде дуже малою. Таким чином, якщо радіус дії слабкої взаємодії малий, тоді ці нові поля, силу чийого внутрішнього зв’язування з електронами й протонами на малих масштабах можна порівняти із силою електромагнетизму, на масштабах ядра й більше можуть здаватися значно, значно слабшими.

Простіше кажучи, Швінґер запропонував дику ідею, що електромагнетизм і слабка взаємодія були, попри значні й очевидні відмінності між ними, частинами єдиної теорії Янга – Міллза. Він не виключав, що фотон може бути тим самим нейтральним членом множини з трьох калібрувальних частинок янг-міллзівського типу, потрібних для розгляду ізотопічного спіну як калібрувальної симетрії, причому саме заряджені версії переносять слабку взаємодію та відповідальні за спричинення розпаду нейтронів. Він не мав гадки, чому в такому разі заряджені частинки матимуть величезну масу, тоді як фотон не матиме ніякої. Проте, як я вже не раз казав, брак розуміння не є свідченням ані існування Бога, ані того, що ви неодмінно помиляєтеся. Це всього-на-всього свідчення браку розуміння.

Швінґер був не тільки блискучим фізиком, а й блискучим учителем та наставником. Тоді як у Фейнмана було лише кілька успішних студентів, – не виключено, через те, що ніхто з них за ним не встигав, – Швінґер (таке враження) був майстром наставляти блискучих докторантів. За своє життя він був керівником понад сімдесяти докторів філософії, і четверо з його колишніх студентів здобули Нобелівську премію.

Швінґер був достатньо зацікавлений у пов’язуванні слабкої взаємодії з електромагнетизмом, щоб заохотити дослідити це питання одного з дюжини своїх тодішніх гарвардських докторантів. Шелдон Ґлешоу випустився 1958 року, захистивши дисертацію з цієї теми, та впродовж наступних кількох років продовжував працювати над цим питанням у Копенгагені як дослідник-постдокторант Національного наукового фонду. Двадцять років по тому у своїй Нобелівській лекції Ґлешоу зазначив, що вони зі Швінґером планували після його випуску написати з цієї теми рукопис, проте один із них втратив перший чернетковий варіант, і вони до цього більше ніколи не поверталися.

Ґлешоу не був клоном Швінґера. Вишуканий і геніальний, проте водночас зухвалий, жартівливий та галасливий, Ґлешоу проводив дослідження, для яких була характерна не математична акробатика, а строга зосередженість на фізичних головоломках та вивченні нових можливих симетрій природи, які могли б їх розв’язати.

Коли я був молодим докторантом із фізики в МТІ, спершу мене вабили глибокі математичні питання фізики, тож екзаменаційне есе для вступу до докторантури я писав саме з цієї теми. Через кілька років я відчув, що природа математичних досліджень, які я проводив, мене пригнічує. У літній школі для докторантів у Шотландії я зустрівся з Ґлешоу й потоваришував і з ним, і з його родиною, і наша дружба квітнула й тоді, коли пізніше ми стали колегами в Гарварді. Через рік після нашої зустрічі він проводив річну відпустку в МТІ. У цей важливий для мене період, коли я розглядав альтернативи, він сказав мені: «Є фізика, а є формалізм, і слід відрізняти перше від другого». У цій пораді було приховано натяк, що мені слід займатися фізикою. Коли я побачив, яке задоволення від цього дістає він, мені стало легше ухвалити рішення долучитися до цього.

Невдовзі я збагнув, що прогресування у фізиці потребує роботи над питаннями, пов’язаними переважно з фізичними, а не математичними проблемами. Єдиний спосіб, у який я міг це робити, було тримання руки на пульсі поточних експериментів і нових експериментальних результатів. Спостерігаючи за Шеллі та його підходом до занять фізикою, я зрозумів, що він має надзвичайну здатність розуміти, які саме експерименти цікаві і які саме результати можуть бути важливими чи вказати напрямок до чогось нового. Почасти це було, поза всяким сумнівом, вродженим, проте почасти ґрунтувалося на життєвому досвіді тримання руки на пульсі того, що відбувається «на землі». Фізика – наука емпірична, і, на наше нещастя, ми втрачаємо розуміння цього.

У Копенгагені Ґлешоу зрозумів, що якщо він хоче гідно втілити в життя пропозицію Швінґера поєднати слабку взаємодію з електромагнітною, то не можна просто так узяти й зробити фотон нейтральним членом трійки калібрувальних частинок, заряджені члени якої стають масивними внаслідок якогось невідомого дива. Це не могло пояснити справжню природу слабкої взаємодії, зокрема той чудернацький факт, що слабка взаємодія нібито впливала лише на ліворукі електрони (і нейтрино), тоді як електромагнітні взаємодії не залежали від того, ліворукі електрони перед нею чи праворукі.

Єдиним розв’язанням цієї проблеми було б існування на додачу до фотона ще однієї нейтральної калібрувальної частинки, яка зв’язувалася лише з ліворукими частинками. Проте, очевидно, ця нова нейтральна частинка також мала бути важкою, оскільки взаємодії, що їх вона переносить, також мають бути слабкими.

Ідеї Ґлешоу виклав фізичній спільноті на Рочестерському з’їзді 1960 року Маррі Гелл-Манн, оскільки на той час він завербував Ґлешоу до Калтеху для роботи у своїй групі. Стаття Ґлешоу з цієї теми, подана 1960 року, вийшла друком 1961-го. Проте масового переходу фізиків на його бік вона не спричинила.

Зрештою, пропозиція Ґлешоу так і не позбулася двох фундаментальних проблем. Першою була давно відома проблема того, як частинки, потрібні для перенесення різних сил, можуть мати різні маси, коли калібрувальні симетрії вимагають, щоб усі калібрувальні частинки були безмасовими. У вступі до своєї статті, продовживши давню традицію пихи, Ґлешоу відверто зазначив: «Це камінь спотикання, на який не варто звертати уваги».

Друга проблема була менш очевидною, проте не менш серйозною з експериментальної точки зору. Якщо нейтронний, піонний та мюонний розпади дійсно були спричинені якимись новими частинками, які переносять слабку силу, вони, судячи з усього, вимагали обміну лише новими зарядженими частинками. Досі не спостерігали жодної слабкої взаємодії, яка потребувала б обміну новою нейтральною частинкою. Якщо така нова нейтральна частинка дійсно існує, то, згідно з тогочасними обрахунками, вона мала б давати змогу іншим відомим важчим мезонам, які розпадалися на два чи три піони (і були відповідальні за початкове збентеження, що привело до відкриття порушення парності), розпадатися значно швидше, аніж це відбувалося згідно зі спостереженнями.

З цих причин пропозиція Ґлешоу відійшла на задній план у міру того, як фізики захоплювалися новим зоопарком частинок, що виринали з прискорювачів, та супровідними нагодами для нових відкриттів. Проте кілька ключових теоретичних інгредієнтів, необхідних для завершення революції у фундаментальній фізиці, уже перебували на своїх місцях, але на той час це було далеко не очевидно. Тоді здавалося ненауковою фантастикою, що впродовж менш ніж десяти років після публікації статті Ґлешоу будуть відкриті й осягнуті всі відомі сили природи, окрім гравітації.

І ключем до цього стане симетрія.

Розділ 14

Холодна застигла реальність: страховисько чи красуня?

Із чиєї утроби лід вийшов, а іній небесний хто його породив?

Йов 38:29

Легко жаліти нещасних бранців Платонової печери, які здатні розуміти все, що тільки можна знати про тіні на стіні, окрім того, що це лише тіні. Проте зовнішність може бути оманливою. Що, як світ навколо нас – лише аналогічна тінь реальності?

Припустімо, наприклад, що якось ви прокидаєтеся холодним зимовим ранком і визираєте у вікно, а краєвид повністю закрито чудовими крижаними кристалами, що утворили на склі химерні візерунки. Вони можуть виглядати так:

Принаймні почасти краса цього зображення вражає через дивовижний порядок на малих масштабах, що ховається під очевидною довільністю на великих масштабах. Крижані кристали утворюють витіюваті деревоподібні візерунки, що ростуть у довільних напрямках та стикаються один з одним під випадковими кутами. Дихотомія між порядком на малих масштабах і довільністю на великих свідчить про те, що для крихітних фізиків та математиків, чий життєвий простір обмежено гребенем одного із зображених на фото крижаних кристалів, усесвіт виглядатиме зовсім інакше.

Один із напрямків у просторі, що відповідає напрямку вздовж гребеня певного крижаного кристала, матиме особливе значення. Світ природи виглядатиме орієнтованим відносно цієї осі. Мало того, враховуючи ґратчасту структуру кристала, електричні сили, напрямлені вздовж гребеня, поводитимуться зовсім інакше порівняно із силами, перпендикулярними до нього: ці сили поводитимуться так, наче вони зовсім різні.

Якщо фізик чи математик, який живе на кристалі, виявиться розумним або подібно до математика з Платонової печери йому пощастить полишити кристал, невдовзі йому стане очевидно, що особливий напрямок, який визначав фізику звичного йому світу, є ілюзією. Він виявить або вирахує, що інші кристали можуть указувати в багатьох інших напрямках. Урешті-решт, якщо йому вдасться поглянути на вікно ззовні в достатньо великому масштабі, йому відкриється базисна симетрія природи відносно обертання у всіх напрямках, відображенням якої буде зростання кристалів у всі боки.

Поняття про те, що світ нашого чуття є аналогічною випадковістю наших конкретних обставин існування, а не безпосереднім відображенням базисних реальностей, стало стрижневим у сучасній фізиці. Ми навіть дали йому красиву назву – «спонтанне порушення симетрії».

Вище я вже згадував один із різновидів спонтанного порушення симетрії, коли обговорював парність, або ліво-праву симетрію. Наші ліві руки виглядають відмінними від правих, хоча електромагнетизм – сила, що визначає побудову великих біологічних структур на кшталт наших тіл, – не відрізняє лівий бік від правого.

Інші два відомі мені приклади, за якими стоять видатні фізики, також допомагають висвітлити спонтанне порушення симетрії в різні способи, які можуть стати нам у пригоді. Абдус Салам, який 1979 року одержав Нобелівську премію за роботу, критично залежну від цього феномену, описав відому всім нам ситуацію – перебування в компанії інших людей за круглим обіднім столом, накритим, скажімо, на вісьмох. Коли ви сідаєте за стіл, може бути неочевидно, який бокал ваш, а який – вашого сусіда, правий чи лівий. Проте незалежно від правил етикету, які чітко встановлюють, що ваш бокал праворуч, щойно перша людина бере свій бокал, усі інші за столом мають лише один варіант, за якого випити зможуть усі. Хоча базисна симетрія стола проявляється дуже чітко, вона порушується, щойно обрано напрямок взяття бокалів.

Йоїтіро Намбу, ще один нобелівський лауреат, який першим із фізиків описав спонтанне порушення симетрії у фізиці елементарних частинок, навів інший приклад, який я адаптував для викладення тут. Візьміть паличку або навіть питну соломинку, поставте її одним кінцем на стіл, а на другий кінець натисніть. Урешті-решт паличка зігнеться. Вона може зігнутися в будь-якому напрямку, і якщо повторити експеримент кілька разів, може статися, що вона щоразу згинатиметься в якомусь іншому напрямку. Перед натисканням паличка має повну циліндричну симетрію. Після натискання відбувається обрання одного з багатьох можливих напрямків, який визначається не базисними фізичними властивостями палички, а випадковим чином залежно від того, як саме ви на неї тиснете. Симетрія порушується спонтанно.

Якщо тепер повернутися до світу захололих вікон, то в результаті охолодження систем властивості матеріалів можуть змінюватися. Вода застигає, гази зріджуються тощо. У фізиці така зміна називається фазовим переходом, і, як показує приклад із вікном, коли система переживає фазовий перехід, нерідко виявляється, що симетрії, пов’язані з однією фазою, в іншій фазі зникають. Приміром, до застигання криги в кристали на вікні краплі води не розташовувалися б настільки впорядковано.

Один із найприголомшливіших фазових переходів, що їх коли-небудь спостерігали в науці, уперше побачив на власні очі 8 квітня 1911 року голландський фізик Камерлінг-Оннес. Оннес дивовижним чином умів охолоджувати речовини до недосяжних раніше температур, і він став першою людиною, яка зрідила гелій, остудивши його до температури, лише на чотири градуси вищої за абсолютний нуль. За цю експериментальну звитягу він пізніше отримав Нобелівську премію. Коли 8 квітня він охолоджував ртутний дріт у ванні з рідкого гелію до температури, на 4,2 градуса вищої за абсолютний нуль, одночасно вимірюючи його електричний опір, він із превеликим подивом виявив, що опір раптом упав до нуля. Струм, який почав протікати дротом, міг продовжувати робити це нескінченно довго навіть після прибирання батареї, яка його спричинила. Продемонструвавши, що його талант піарника аж ніяк не поступався обдаруванню експериментатора, він запропонував для опису цього визначного й зовсім несподіваного результату термін надпровідність.

Надпровідність була настільки несподіваною й дивною, що мине майже п’ятдесят років після відкриття квантової механіки, від якої вона залежить, перш ніж 1957 року (того ж року, коли було виявлено порушення парності, а Швінґер запропонував модель, яка була спробою об’єднати слабку й електромагнітну взаємодію) команда в складі Джона Бардіна, Леона Купера та Роберта Шріффера розробить його разюче фізичне пояснення. Їхня робота була тріумфом винахідливості й спиралася на низку проникливих здогадок, зроблених упродовж кількох десятиліть наполегливої праці. У підсумку це пояснення спирається на несподіваний феномен, який може мати місце лише в певних речовинах.

У порожньому просторі електрони відштовхують інші електрони, оскільки заряди з однаковим знаком взаємовідштовхуються. Проте в деяких речовинах при охолодженні електрони здатні зв’язуватися з іншими електронами. У таких речовинах це відбувається через те, що вільний електрон схильний збирати навколо себе позитивно заряджені іони. Якщо температура дуже-дуже низька, інший електрон може притягнутися до позитивно зарядженого поля навколо першого електрона. Пари електронів можуть зв’язуватися докупи, при цьому роль, так би мовити, клею виконує позитивно заряджене поле, утворене притяганням першого електрона до кристалічної ґратки позитивних зарядів, пов’язаних з атомами речовини.

Оскільки ядра атомів важкі й утримуються на місці відносно сильними атомними силами, перший електрон дещо викривляє ґратку сусідніх атомів, підсуваючи деякі з них трохи ближче до себе, ніж вони мали б бути. Викривлення ґратки зазвичай викликають у речовині вібрації, або звукові хвилі. У квантовому світі ці вібрації квантуються й називаються фононами. Леон Купер відкрив, що ці фонони здатні зв’язувати пари електронів таким чином, як я описав вище, тож ці пари дістали назву куперівських пар.

Далі відбувається справжня магія квантової механіки. Коли ртуть (або якась інша з цих особливих речовин) охолоджується до температури, нижчої за певний поріг, відбувається фазовий перехід, і всі куперівські пари раптом зливаються в єдиний квантовий стан. Цей феномен, який дістав назву конденсації Бозе – Ейнштейна, відбувається тому, що, на відміну від ферміонів, частинки з цілим квантово-механічним спіном, такі як фотони, та навіть частинки з нульовим спіном полюбляють гуртом перебувати в одному й тому ж стані. Цю ідею вперше висловив індійський фізик Шатьєндранат Бозе, а пізніше розвинув Ейнштейн. І знов-таки ключову роль відіграло світло, оскільки аналіз Бозе включав у себе статистику фотонів, і конденсація Бозе – Ейнштейна тісно пов’язана з фізикою, яка керує лазерами, у яких багато окремих фотонів в одному стані поводяться когерентно. З цієї причини частинки з цілим спіном на кшталт фотонів назвали бозонами, аби відрізняти їх від ферміонів.

За кімнатної температури в газі чи твердому тілі зазвичай відбувається настільки багато зіткнень між частинками, що їхні індивідуальні стани стрімко змінюються, і ніяка колективна поведінка неможлива. Проте газ бозонів за достатньо низької температури може злитися в конденсат Бозе – Ейнштейна, у якому ідентичності окремих частинок зникають. Система в цілому поводиться як єдиний, подеколи макроскопічний об’єкт, проте в цьому випадку його поведінка визначається правилами квантової, а не класичної механіки.

Як наслідок, конденсат Бозе – Ейнштейна може мати екзотичні властивості, так само як лазерний промінь може поводитися зовсім інакше, ніж звичайне світло з ліхтарика. Оскільки конденсат Бозе – Ейнштейна є велетенською амальгамацією того, що в іншому випадку було б множиною окремих невзаємодійних частинок, нині зв’язаних у єдиний квантовий стан, створення такого конденсату вимагало екзотичних та особливих експериментів у галузі атомної фізики. Перше безпосереднє спостереження такої конденсації газу з елементарних частинок сталося лише 1995 року зусиллями американських фізиків Карла Вімана та Еріка Корнелла – ще одна звитяга, яка була визнана гідною Нобелівської премії.

Можливість такої конденсації всередині масивних речовин на кшталт ртуті виглядає настільки дивною тому, що фундаментальними частинками, які на перших порах грають першу скрипку, є електрони, які зазвичай не лише відштовхують інші електрони, а й мають спін ½ і, будучи ферміонами, поводяться строго протилежним чином порівняно з бозонами, про які йшлося вище.

Проте коли формуються куперівські пари, кожен із двох електронів діє узгоджено з напарником, а оскільки обидва мають спін ½, їхнє об’єднання має цілий спін (2 × ½). Вуаля, утворився новий вид бозона. Найнижчий енергетичний стан системи, у який вона приходить у результаті врівноваження за низької температури, є конденсатом куперівських пар, причому конденсованих у єдиний стан. Коли це відбувається, властивості речовини повністю змінюються.

До формування конденсату в результаті прикладання до дроту напруги окремі електрони починають рухатися й створюють електричний струм. Врізаючись в атоми на своєму шляху, вони розсіюють енергію, породжуючи знайомий нам усім електричний опір та нагріваючи дріт. Проте щойно формується конденсат, окремі електрони й навіть окремі куперівські пари вже не мають індивідуальної ідентичності. Вони асимілюються в колектив, як борґи із «Зоряного шляху». Коли на конденсат починає діяти струм, він рухається як одне ціле.

Проте якби конденсат відбивався від окремих атомів, мінялася б траєкторія руху всієї цієї маси. Однак це вимагало б великої кількості енергії – значно більше, ніж потрібно для перенаправлення руху окремого електрона. У термінах класичної механіки підсумковий результат можна уявити так: за низьких температур довільне коливання атомів породжує замало теплової енергії, щоб спричинити зміну напрямку руху масивного конденсату частинок. Це схоже на спроби зрушити з місця вантажівку, кидаючи в неї попкорном. У квантовій механіці підсумок аналогічний. У цьому випадку ми сказали б, що зміна конфігурації конденсату потребує зсуву всього конденсату частинок на велику фіксовану величину в новий квантовий стан, який має енергію, відмінну від енергії його поточного стану. Проте в термальній ванні за низької температури таку енергію нема де взяти. З другого боку, можна поставити питання, чи може таке зіткнення розбити куперівську пару в конденсаті на два електрони – щось на кшталт відбиття дзеркала заднього огляду при зіткненні вантажівки зі стовпом. Проте за низьких температур усе рухається занадто повільно для цього. Тож струм тече безперешкодно. Як сказали б борґи, опір марний. Хоча в цьому випадку опору просто немає. Ініційований струм протікатиме вічно, навіть якщо прибрати приєднану перед цим до дроту батарею.

Це була теорія надпровідності Бардіна – Купера – Шріффера (БКШ) – видатна праця, яка зрештою пояснила всі експериментальні властивості надпровідників на кшталт ртуті. Ці нові властивості сигналізують про зміну основного стану системи порівняно з тим, який був до перетворення її на надпровідник, і подібно до крижаних кристалів на вікні ці нові властивості відображають спонтанне порушення симетрії. У надпровідниках порушення симетрії не настільки візуально очевидне, як у випадку крижаних кристалів на віконному склі, проте воно там, під поверхнею.

Математично сигнатура цього порушення симетрії полягає в тому, що зненацька, тільки-но сформується конденсат куперівських пар, зміна конфігурації всієї речовини починає вимагати великої мінімальної кількості енергії. Конденсат поводиться як макроскопічний об’єкт певної великої маси. Утворення цієї «масової прірви» (саме так називається це явище, що виражається мінімальною кількістю енергії, необхідної для виривання системи з надпровідникового стану) є фірмовим знаком переходу, унаслідок якого порушується симетрія й утворюється надпровідник.

Можливо, ви не розумієте, як усе це, яким би цікавим воно не було, пов’язане з оповіддю, на якій наша увага була зосереджена досі, а саме з розумінням фундаментальних сил природи. Завдячуючи нашому післязнанню, цей взаємозв’язок стане очевидним. Проте в заплутаному та збентеженому світі фізики елементарних частинок 1950-1960-х років дорога до прозріння була зовсім не такою прямою.

1956 року Йоїтіро Намбу, який нещодавно переїхав до Чиказького університету, прослухав семінар Роберта Шріффера, присвячений тому, що стане теорією надпровідності БКШ, і він справив на нього глибоке враження. Як і більшість інших тогочасних представників фізики елементарних частинок, він сушив голову над тим, яке місце посідають добре відомі частинки, з яких складаються атомні ядра, себто протони й нейтрони, у зоопарку елементарних частинок і джунглях взаємодій, пов’язаних з їхнім утворенням і розпадом.

Як і інші, Намбу був вражений неймовірною близькістю мас протона й нейтрона. Йому, як до нього Янгу та Міллзу, здавалося, що такий результат має бути наслідком якогось базисного принципу природи. Проте Намбу припускав, що ключову підказку може надати приклад надпровідності, зокрема виникнення нового характеристичного енергетичного масштабу, пов’язаного з енергією збудження, необхідною для зламу конденсату куперівських пар.

Упродовж трьох років Намбу досліджував, яким чином цю ідею можна адаптувати до порушення симетрії у фізиці елементарних частинок. Він запропонував модель, згідно з якою аналогічний конденсат деяких полів, що могли б існувати в природі, та мінімально необхідна для створення збудження й виходу з цього конденсованого стану енергія можуть бути характеристиками великої маси/енергії, пов’язаної з протонами та нейтронами.

Незалежно один від одного Намбу та фізик Джефрі Ґолдстоун встановили, що чіткою ознакою такого порушення симетрії було б існування інших безмасових частинок, які нині мають назву бозонів Намбу – Ґолдстоуна (НҐ), чия взаємодія з іншою матерією також відображатиме природу порушення симетрії. Тут можна провести аналогію з краще знайомою системою на кшталт крижаного кристала. У випадку просторового паралельного перенесення така система спонтанно порушує симетрію, оскільки під час руху в одному напрямку все виглядає зовсім інакше, ніж при русі в іншому напрямку. Проте в такому кристалі можливі крихітні вібрації окремих атомів в околі їхніх положень спокою. Ці вібраційні моди,[8] які, як уже згадувалося вище, називаються фононами, можуть накопичувати необмежено малі обсяги енергії. У квантовому світі фізики елементарних частинок ці моди відображатимуться у вигляді безмасових частинок Намбу – Ґолдстоуна, оскільки там, де виражена еквівалентність між енергією й масою, збудження, що переносять малу або нульову кількість енергії, відповідають безмасовим частинкам.

І – хто б міг подумати! – піони, що їх відкрив Пауелл, дуже гарно підходять під цей опис. Вони не зовсім безмасові, проте значно легші за всі інші сильно взаємодійні частинки. Їхні взаємодії з іншими частинками мають властивості, яких слід було б очікувати від НҐ-бозонів, які могли б існувати, якби в природі існував який-небудь здатний руйнувати симетрію феномен із розмірністю енергії збудження, яка могла б відповідати масштабам маси/енергії протонів і нейтронів.

Але, попри важливість праці Намбу, він і майже всі його колеги не помітили спорідненого, проте значно глибшого наслідку спонтанного порушення симетрії в теорії надпровідності, який пізніше надав ключ для розкриття істинної таємниці сильних і слабких ядерних сил. Намбу зосередився на порушенні симетрії під впливом надпровідності, проте аналогії, які він та його колеги провели з нею, були неповні.

Схоже, у нас значно більше спільного з тими крихітними фізиками з крижаного кристала на віконному склі, ніж ми коли-небудь собі уявляли. І, що, можливо, справедливо й для тих крихітних фізиків, ця короткозорість була зовсім не очевидною для «великої» фізичної спільноти.

Розділ 15

Життя всередині напівпровідника

Марноту говорять один до одного, їхні уста облесні, і серцем подвійним говорять…

Псалми 11:3

Завдяки післязнанню помилки минулого можуть здаватися очевидними, проте не забуваймо, що предмети в дзеркалі заднього огляду нерідко ближчі, аніж здається. Легко критикувати наших попередників за те, що вони впустили, утім, те, що ставить нас у глухий кут сьогодні, може бути очевидним для наших нащадків. Працюючи на передньому краї, ми ходимо шляхом, часто вкритим імлою.

Аналогія з надпровідністю, уперше досліджена Намбу, корисна, проте значною мірою з причин, відмінних від тих, які свого часу уявляли собі Намбу та інші. Заднім числом відповідь може здатися майже самоочевидною, точно так само, як маленькі натяки на справжнього вбивцю у творах Агати Крісті стають очевидними після його викриття. Проте, як і герої її детективів, ми також натрапляємо на купу помилкових слідів, і ці глухі кути роблять підсумкове рішення ще більш несподіваним.

Є всі підстави співпереживати тогочасним спантеличеним фізикам елементарних частинок. Запускали нові прискорювачі, і щоразу, як був досягнутий новий поріг енергії зіткнення, породжувалися нові сильно взаємодійні брати нейтронів і протонів. Цей процес видавався нескінченним. Від такого багатства розбігалися очі, і як теоретики, так і експериментатори були вмотивовані зосередитися на таємниці сильної ядерної сили, яка, здавалося, кидала найсерйозніший виклик наявній теорії.

Здавалося, що для мікроскопічного світу характерна потенційно нескінченна кількість елементарних частинок із дедалі більшими масами. Проте це суперечило всім ідеям квантової теорії поля – вдалої моделі, яка надала чудове розуміння релятивістської квантової поведінки електронів і фотонів.

Розробку популярної й впливової програми з розв’язання цієї проблеми очолював фізик із Берклі Джефрі Чю. Чю відмовився від ідеї існування якихось дійсно фундаментальних частинок, а також від будь-яких мікроскопічних квантових теорій, що включали точкоподібні частинки й пов’язані з ними квантові поля. Натомість він виходив із того, що всі спостережувані сильно взаємодійні частинки були не точкоподібними, а комплексними, зв’язаними станами інших частинок. Це означало, що ніякої редукції до первинних фундаментальних об’єктів бути не може. У цій дзеноподібній картині, яка настільки личила Берклі зразка 1960-х років, усі частинки вважали складеними з інших частинок – так звана бутстрап-модель, у якій жодні елементарні частинки не вважали первинними чи особливими. Саме тому цей підхід також дістав назву ядерної демократії.

І хоча він полонив багатьох фізиків, які розчарувались у квантовій теорії поля як інструменті для опису будь-яких взаємодій окрім найпростіших, між електронами й фотонами, жменька науковців була достатньо вражена успіхом квантової електродинаміки, щоби спробувати зімітувати її в теорії сильної ядерної сили – яка згодом стала відома як сильна взаємодія – за образом і подобою підходу, який обстоювали Янг і Міллз.

Один із цих фізиків, Д. Д. Сакураї, опублікував 1960 року статтю з вельми амбітною назвою «Теорія сильних взаємодій». Сакураї серйозно сприйняв пропозицію Янга й Міллза та спробував точно визначити, які фотоноподібні частинки можуть переносити сильну силу між протонами, нейтронами й іншими нововідкритими частинками. Оскільки сильна взаємодія була близькодійною, охоплюючи в найкращому випадку лише розмір ядра, здавалося, що частинки, необхідні для перенесення цієї сили, мають бути масивними, що суперечило будь-якій строгій калібрувальній симетрії. Проте, за винятком цього, вони повинні мати багато властивостей, аналогічних властивостям фотонів, і мати спін 1, або так званий векторний спін. З огляду на це нові передбачені частинки були названі масивними векторними мезонами. Вони мали зв’язуватися з різноманітними потоками сильно взаємодійних частинок аналогічно тому, як фотони зв’язуються з потоками електрично заряджених частинок.

Частинки із загальними властивостями передбачених Сакураї векторних мезонів були експериментально відкриті впродовж наступних двох років, тож ідея, що вони якимось чином можуть розкрити секрет сильної взаємодії, була використана для розплутування складних взаємодій між нуклеонами та іншими частинками.

Відреагувавши на думку, що за сильною взаємодією може стояти деякий різновид янг-міллзівської симетрії, Маррі Гелл-Манн розробив вишукану схему симетрії, яку в дзеноподібній манері охрестив Восьмеричним Шляхом. Вона не лише давала можливість класифікувати вісім різних векторних мезонів, а ще й передбачала існування досі не спостережуваних сильно взаємодійних частинок. Ідея, що ці свіжозапропоновані симетрії природи можуть допомогти навести лад у тому, що здавалося безнадійно хаотичним звіринцем елементарних частинок, була настільки захоплива, що, коли пізніше відкрили частинку, яку передбачив Гелл-Манн, йому було присуджено Нобелівську премію.

Проте найчастіше Гелл-Манна згадують як автора більш фундаментальної ідеї. Він і незалежно від нього Джордж Цвейґ увели поняття того, що Гелл-Манн назвав кварками (це слово він запозичив із роману Джеймса Джойса «Поминки за Фіннеганом»), які мали фізично допомогти пояснити властивості симетрії його Восьмеричного Шляху. Якщо уявити, що множина кварків, які Гелл-Манн розглядав просто як зручний математичний звітний інструмент (так само як до того Фарадей розглядав електричне й магнітне поля, ним же й запропоновані), включає в себе всі сильно взаємодійні частинки на кшталт протонів і нейтронів, можна передбачити симетрію й властивості всіх відомих частинок. У повітрі знову запахло великим синтезом, який об’єднує розмаїті частинки й сили в єдине когерентне ціле.

Складно переоцінити важливість кваркової гіпотези. Хоча Гелл-Манн не стверджував, що його кварки є реальними фізичними частинками всередині протонів і нейтронів, його категоризаційна схема означала, що саме міркування симетрії можуть кінець кінцем визначати природу не лише сильної взаємодії, а й усіх фундаментальних частинок у природі.

Утім, хоча один різновид симетрії міг визначати структуру матерії, можливість доповнити цю симетрію до якогось різновиду янг-міллзівської калібрувальної симетрії, що визначала б сили взаємодії між частинками, більш досяжною не виглядала. Докучлива проблема спостережуваних мас векторних мезонів полягала в тому, що вони не могли правдиво відображати будь-яку базисну калібрувальну симетрію сильної взаємодії таким чином, який міг би однозначно визначити її форму та потенційно гарантувати, що вона матиме квантовомеханічний сенс. Будь-яке янг-міллзівське доповнення до квантової електродинаміки вимагало, щоб нові фотоноподібні частинки були безмасовими. Крапка.

Становище виглядало безвихідним, проте неочікуваний дзвінок-будильник надпровідності відкрив інший, менш очевидний та в остаточному підсумку більш плідний шлях.

Першим жаринки струснув теоретик, який працював безпосередньо в галузі фізики конденсованих середовищ, пов’язаної з надпровідністю в речовинах. Філіп Андерсон із Принстону, пізніше за іншу роботу відзначений Нобелівською премією, висунув припущення, що в контексті фізики елементарних частинок варто дослідити один із найфундаментальніших, усюдисущих феноменів надпровідників.

Однією з найефектніших демонстрацій, яку можна провести з надпровідниками, особливо новими високотемпературними надпровідниками, які допускають прояви надпровідності за температур рідкого азоту, є левітація магніту над надпровідником, як показано нижче:

Це можливо з причини, що її відкрили 1933 року в ході експерименту Вальтер Мейснер із колегами та пояснили двома роками пізніше теоретики Фріц і Хайнц Лондони; її назвали «ефект Мейснера».

Як шістдесятьма роками раніше відкрили Фарадей та Максвелл, електричні заряди по-різному реагують на магнітні й електричні поля. Зокрема, Фарадей відкрив, що змінне магнітне поле може спричинити протікання струму у віддаленому дроті. Не менш важливим фактом, на якому я раніше не наголошував, є те, що результуючий струм протікатиме так, що породить нове магнітне поле, спрямоване в зустрічному напрямку до змінного зовнішнього магнітного поля. Таким чином, якщо зовнішнє поле зменшуватиметься, згенерований струм породжуватиме магнітне поле, яке протидіятиме цьому зменшенню. Якщо ж воно збільшуватиметься, згенерований струм потече у зворотному напрямку й породить магнітне поле, яке протидіятиме цьому збільшенню.

Можливо, ви помічали, що коли розмовляєте стільниковим телефоном і заходите в певні ліфти, зокрема ті, у яких зовнішня частина кабіни облицьована металом, то після зачинення дверей зв’язок обривається. Це приклад явища під назвою «клітка Фарадея». Оскільки телефонний сигнал отримують у вигляді електромагнітної хвилі, метал екранує вас від зовнішнього сигналу, адже в металі виникають такі струми, які протидіють змінними електричному й магнітному полям у сигналі, через що його сила всередині ліфта значно слабшає.

Якщо взяти ідеальний провідник без жодного опору, то заряди в такому металі були б здатні, по суті, звести нанівець будь-які впливи зовнішнього змінного електромагнітного поля. У ліфті не ловилися б жодні сигнали цих змінних полів, себто жодний телефонний сигнал. Мало того, ідеальний провідник також екранував би впливи будь-якого постійного зовнішнього електричного поля, оскільки в надпровіднику заряди здатні у відповідь на появу будь-якого поля переорієнтовуватися і повністю відсікати його.

Проте ефект Мейснера цим не обмежується. У випадку надпровідника ніякі магнітні поля – навіть постійні магнітні поля на кшталт спричинених зображеним вище магнітом – не можуть проникнути всередину нього через те, що, якщо повільно наближати до нього здалеку магніт, надпровідник генеруватиме струм, котрий протидіятиме змінному магнітному полю, яке збільшується в міру наближення магніту. Але оскільки речовина надпровідна, струм не перестає протікати навіть після того, як магніт перестає рухатися. Якщо ж присунути магніт іще ближче, для протидії новому зростанню магнітного поля починає протікати сильніший струм. І так далі. Отже, через те, що струми в надпровіднику здатні протікати, не розсіюючись, екрануються не лише електричні, але й магнітні поля. Ось чому магніти левітують над надпровідниками. Струми в надпровіднику відбивають спричинене зовнішнім магнітом магнітне поле й за рахунок цього відштовхують магніт точно так само, наче на поверхні надпровідника перебуває інший магніт, чиї північний і південний полюси розташовані так само, як і в зовнішнього магніту.

Брати Лондони, які перші спробували пояснити ефект Мейснера, вивели рівняння, яке описувало цей феномен усередині надпровідника. Результат наводив на роздуми. Кожен різновид надпровідників утворює під своєю поверхнею унікальну характеристичну розмірність довжини, що визначається мікроскопічною природою надструмів, що утворюються для врівноваження будь-якого зовнішнього поля, і будь-яке зовнішнє магнітне поле нівелюється саме в цьому масштабі довжини. Вона називається лондонівською глибиною проникнення. Ця глибина різна для різних надпровідників і залежить від особливостей їхньої мікрофізики в спосіб, який брати визначити не змогли, оскільки на той час не мали у своєму розпорядженні мікроскопічної теорії надпровідності.

Разом із тим саме існування глибини проникнення вражає, оскільки з цього випливає, що всередині напівпровідника електромагнітне поле поводиться інакше: воно вже не є далекосяжним. Але якщо під поверхнею електромагнітні поля стають близькодійними, тоді носій електромагнітних сил повинен поводитися інакше. Підсумковий наслідок? Усередині надпровідника фотон поводиться так, наче має масу.

Під поверхнею надпровідників віртуальні фотони – а також електричне й магнітне поля, які вони переносять, – можуть поширюватися лише в межах відстані, порівнюваної з лондонівською глибиною проникнення, точно так само, як було б у випадку, якби електромагнетизм усередині надпровідника виникав унаслідок обміну масивними, а не безмасовими фотонами.

Тепер уявімо, як виглядало б життя всередині напівпровідника. Електромагнетизм був би близькодійною силою, фотони – масивними, а вся звична фізика, пов’язана з електромагнетизмом як далекосяжною силою, зникла б.

Хочу підкреслити, наскільки це дивовижно. Жоден експеримент, який можна було б провести всередині надпровідника, допоки він лишається надпровідником, не показав би, що в зовнішньому світі фотони є безмасовими. Якби ви були Платоновим філософом усередині такого надпровідника, вам довелося б інтуїтивно вирахувати неймовірний обсяг фактажу щодо зовнішнього світу, і лише потім ви змогли б зробити висновок, що причиною цієї ілюзії є якийсь таємничий та невидимий феномен. Могло б знадобитися кілька тисяч років роздумів та експериментів, перш ніж ви чи ваші нащадки змогли б здогадатися, якою є природа реальності в основі тіньового світу, у якому ви живете, чи побудувати пристрій із достатньою кількістю енергії для розриву куперівських пар та розтоплення стану надпровідності, відновлення нормальної форми електромагнетизму й відкриття, що фотон є безмасовим.

У ретроспективі ми, фізики, виходячи лише з міркувань симетрії й не розглядаючи безпосередньо ефект Мейснера, мали б очікувати, що фотони всередині надпровідника повинні поводитися як масивні частинки. Конденсат куперівських пар, який складається з електронних пар, має підсумковий електричний заряд. Це порушує калібрувальну симетрію електромагнетизму, оскільки на цьому тлі будь-які додані до речовини позитивні заряди поводитимуться інакше, ніж додані негативні заряди. Проте згадаймо, що безмасовість фотонів є ознакою того, що електромагнітне поле далекосяжне, і далекосяжна природа електромагнітного поля відображає той факт, що вона дозволяє локальним варіаціям визначення електричного заряду в одному місці не впливати на фізику глобально у всій речовині. Проте якщо калібрувальної інваріантності немає, локальні варіації визначення електричного заряду матимуть реальні фізичні наслідки, тож далекосяжне поле, що нівелює всі такі варіації, існувати не може. Один зі способів позбутися далекосяжного поля – зробити фотон масивним.

Тепер питання на 64 тисячі: чи може щось на зразок такого відбуватися у світі, у якому доводиться жити нам із вами? Чи можуть маси важких фотоноподібних частинок бути наслідком того, що ми насправді живемо в чомусь схожому на космічний надпровідник? Саме таке приголомшливе запитання поставив Андерсон, керуючись як мінімум аналогією зі звичайними надпровідниками.

Перш ніж зуміти відповісти на це запитання, необхідно зрозуміти невеличке формальне чаклунство, завдяки якому стає можливим виникнення маси фотона в надпровіднику.

Пригадаймо, що в електромагнітній хвилі електричне (Е) та магнітне (В) поля коливаються туди-сюди в напрямках, перпендикулярних напрямку хвилі, як показано на рисунку:

Оскільки перпендикулярних напрямків два, електромагнітну хвилю можна зобразити двома способами. Хвиля може виглядати так, як на рисунку, або ж із переставленими місцями полями Е та В. Це відображає наявність в електромагнітних хвиль двох ступенів свободи, які називаються двома різними поляризаціями.

Це є наслідком калібрувальної інваріантності електромагнетизму або, що еквівалентно, безмасовості фотонів. Проте якби фотони мали масу, це не лише порушило б калібрувальну інваріантність, а й створило б передумови для третього варіанта. Замість коливатися перпендикулярно до напрямку руху хвилі, електричне й магнітне поля могли б коливатися вздовж цього напрямку (оскільки фотони більше не рухаються зі швидкістю світла, стають можливі коливання вздовж напрямку руху цих частинок).

Проте це означає, що відповідні масивні фотони матимуть уже не два, а три ступені свободи. Як фотони в надпровідниках можуть набувати цього додаткового ступеня свободи?

Андерсон дослідив це питання в надпровідниках, і його розв’язання тісно пов’язане з описаним вище фактом. За відсутності електромагнітних взаємодій в надпровіднику є можливість спричинити невеличкі просторові варіації конденсату куперівських пар, які матимуть довільно малу енергетичну вартість, оскільки куперівські пари не взаємодіятимуть між собою. Проте якщо врахувати електромагнетизм, ці низькоенергетичні моди (які знищили б надпровідність) зникають якраз через взаємодії зарядів у конденсаті з електромагнітним полем. Ця взаємодія змушує фотони в надпровіднику поводитися так, наче вони масивні. Новий режим поляризації масивних фотонів у надпровіднику виникає у зв’язку з коливаннями конденсату у відповідь на проходження електромагнітної хвилі.

Мовою фізики елементарних частинок безмасові моди Намбу – Ґолдстоуна, що відповідають частинковим версіям мізерно малих енергетичних коливань у конденсаті, «з’їдаються» електромагнітним полем, надаючи фотонам масу й новий ступінь свободи, унаслідок чого електромагнітна сила в надпровіднику стає близькодійною.

Андерсон висловив припущення, що цей феномен – згідно з яким у надпровідниках зникають безмасовий фотон і безмасова мода Намбу – Ґолдстоуна, які поєднуються й породжують масивний фотон, – може мати стосунок до давньої проблеми створення масивних фотоноподібних янг-міллзівських частинок, які можуть бути пов’язані із сильними ядерними силами.

Тут Андерсон різко зупинився, так і залишивши висіти в повітрі припущення, що цей механізм, побудований за аналогією з надпровідниками, можна застосувати до теорії елементарних частинок. Так само різко зупинився Намбу, який розглядав спонтанне порушення симетрії у фізиці елементарних частинок із використанням аналогії з надпровідністю, проте не використав пов’язаний із надпровідністю феномен, на якому пізніше зосередився Андерсон, тобто ефект Мейснера, що надає фотонам у надпровідниках масу, тож явного застосування всіх цих ідей до фізики елементарних частинок не сталося.

Як наслідок можливі ґрунтовні наслідки надпровідності для розуміння фізики фундаментальних частинок не були швидко осягнуті фізичною спільнотою й залишилися схованими в тіні.

Утім, версія, що ми живемо в чомусь на зразок космічного надпровідника, виглядає надто натягнутою, щоб у неї можна було повірити. Зрештою, люди здатні фантазувати різні небилиці для пояснення чогось незбагненного, вигадуючи різні фантастичні та приховані причини на кшталт богів і демонів. Чи можна вважати твердження про існування в усьому просторі якогось прихованого конденсату полів, який пояснює непоясненні натомість сильні ядерні сили, хоч трохи більш правдоподібним?

Розділ 16

Стерпна важкість буття: симетрію порушено, фізику полагоджено

Позбирайте куски позосталі, щоб ніщо не загинуло.

Від Івана 6:12

Природі, як і багатьом людським драмам, притаманна дивовижна поезія. А в моїх улюблених давньогрецьких епосах, створених у часи, коли Платон писав про свою печеру, постає загальна тема: знаходження чудового скарбу, доти схованого від людських очей, який дістає маленький та везучий загін малоприємних мандрівників, які після знаходження цього скарбу змінюються назавжди.

О, яке ж це щастя. Саме можливість цього спонукала мене вивчати фізику, адже романтика можливого першовідкриття якогось нового та чудового прихованого закутка природи вабила непереборно. Ця оповідь повністю присвячена саме таким моментам, коли поезія природи зливається з поезією людського існування.

Поетичність значною мірою притаманна майже кожному аспекту епізодів, про які я збираюся розповісти. Нині, у другому десятилітті ХХІ століття, можна легко погодитися стосовно того, які з видатних теорій ХХ століття є найчудовішими. Проте для того, аби оцінити справжню драму прогресу науки, необхідно зрозуміти, що в той час, коли їх пропонують уперше, чудові теорії нерідко не є настільки ж звабливими, як роки по тому, подібно до вишуканого вина чи далекого кохання.

Тож сталося так, що ідеї Янга, Міллза, Швінґера та решти, які ґрунтувалися на математичній поезії калібрувальної симетрії, не змогли свого часу ані стати джерелом натхнення, ані конкурувати з ідеєю, що квантова теорія поля, найкращим уособленням якої була квантова електродинаміка, не є продуктивним підходом для опису інших сил природи, а саме слабких та сильних ядерних сил. Багато хто вважав, що до таких сил, які діють на коротких відстанях, властивих масштабу атомних ядер, слід застосовувати нові правила й що колишні методики тут не підходять.

Аналогічно пізніші спроби Намбу та Андерсона застосувати ідеї з фізики матеріалів, яка також називається фізикою багатьох тіл або фізикою конденсованих середовищ, до субатомного царства, багато фізиків елементарних частинок відкинули, позаяк глибоко сумнівалися, що ця нова галузь здатна хоч якось покращити розуміння «фундаментальної» фізики. Скептицизм фізичної спільноти озвучив чудовий теоретик Віктор Вайскопф, який на семінарі в Корнелльському університеті буцімто сказав: «Нині фізики елементарних частинок доведені до такого розпачу, що їм доводиться робити запозичення з новинок у фізиці багатьох тіл… Можливо, щось із того й вийде».

Цей скептицизм був небезпідставним. Зрештою, Намбу стверджував, що спонтанне порушення симетрії може пояснити великі та подібні маси протонів і нейтронів, і він сподівався, що вона це зробить, одночасно пояснивши, чому піон набагато легший. Проте в основі запозичених вченим ідей лежало розуміння, що ознакою спонтанного порушення симетрії є існування строго безмасових, а не дуже легких частинок.

Робота Андерсона також була цікавою, ніде правди діти. Утім, те, що вона була написана в контексті нерелятивістської моделі конденсованого середовища й до того ж порушувала теорему Ґолдстоуна з фізики елементарних частинок, з якої випливала нероздільність порушення симетрії й безмасових частинок, призвело до того, що його твердження про зникнення безмасових станів у його прикладі, тобто в електромагнетизмі в надпровідниках, більшість фізиків елементарних частинок також проігнорували.

Проте Джуліан Швінґер не полишав ідею, що калібрувальна симетрія Янга – Міллза може пояснити ядерні сили, і продовжував стверджувати, що янг-міллзівські протони можуть бути масивні, щоправда, не демонструючи, як таке можливе.

Робота Швінґера привернула увагу сумирного молодого британського теоретика Пітера Хіггса, на той час викладача математичної фізики в Единбурзькому університеті. Він був людиною тихої вдачі, і ніхто й подумати не міг, що він стане революціонером. Проте він був змушений стати революціонером, хоча через деяких короткозорих редакторів журналів ледь не втратив свій шанс.

1960 року Хіггса, який щойно прийшов на посаду, попросили попрацювати в комітеті, який організовував першу Літню школу шотландських університетів із фізики. Вона стала поважною школою, присвяченою різним галузям фізики. Приблизно раз на чотири роки впродовж трьох тижнів успішні докторанти та молоді постдокторанти відвідують лекції старших науковців із фізики елементарних частинок у перервах між стравами, які запивають вишуканими винами, а потім – міцним віскі. Того року серед студентів були майбутні нобелівські лауреати Шелдон Ґлешоу та Мартінус Велтман, а також Нікола Кабіббо, який, на мою думку, теж мав би здобути цю премію. Імовірно, Хіггс, якого призначили сомельє,[9] помітив, що ці троє студентів не відвідують ранкових лекцій. Вони, судячи з усього, проводили вечори, обговорюючи фізику та попиваючи вино, яке нишком виносили з їдальні впродовж частувань. Тоді Хіггс не мав змоги долучитися до їхніх дискусій, тож не дізнався від Ґлешоу про його новітню пропозицію щодо об’єднання електромагнітної та слабкої сил, яку він уже подав на публікацію.

Шотландським літнім школам притаманна власна поезія. Вони почергово проводяться в різних місцях і періодично повертаються до чудового узбережного міста Сент-Ендрюс, розташованого якраз поруч зі славетним Старим полем, де народився гольф. 1980 року в рамках школи, яка проходила в Сент-Ендрюсі, читали лекції свіжоспечений нобелівський лауреат Ґлешоу та знаменитий колишній учень Велтмана Герард ‘т Гофт, і я мав честь відвідувати їх як докторант.

Я прибув пізно, і мені припала найменша кімната, на горищі з видом на Старе поле, і насолоджувався не лише фізикою, а й алкоголем, а також програшами в грі на випивку з одним із лекторів, оксфордським фізиком Гремом Россом, на сусідньому полі для мінігольфу, яке небезпідставно прозвали «Гімалаями». ‘Т Гофт був не лише фізиком майже неземного таланту, а й неабияким художником. 1980 року він переміг на щорічному шкільному конкурсі з дизайну футболок, і я досі зберігаю футболку з його малюнком і автографом. Не можу примусити себе розлучитися з нею, хоч би як мене вабив eBay. (Двадцять років по тому, 2000-го, я повернувся до цієї літньої школи, проте цього разу як лектор. На відміну від Ґлешоу, ‘т Гофта, Велтмана та Хіггса, я не привіз Нобелівської премії, проте нарешті дістав змогу поносити кілт. Ще одна галочка в списку зробленого.)

Відпрацювавши в літній школі 1960 року, Хіггс почав читати літературу із симетрії та порушення симетрії, вивчаючи праці Намбу, Ґолдстоуна, Вайнберґа та Андерсона. Хіггса пригнічувало неможливе на перший погляд завдання примирити теорему Ґолдстоуна з можливістю існування масивних векторних янг-міллзівських частинок, які можуть переносити сильну силу. Але потім, того чарівного 1964 року, коли Гелл-Манн увів поняття кварків, Хіггс прочитав дві статті, які подарували йому надію.

Першою була стаття Авраама Кляйна та Бена Лі, який на момент своєї загибелі в автокатастрофі дорогою на з’їзд фізиків був одним із найблискучіших молодих фізиків елементарних частинок у світі. Вони пропонували спосіб уникнути теореми ґолдстоуна та позбутися неспостережуваних натомість безмасових частинок у квантових теоріях поля.

Далі Волтер Ґілберт, молодий фізик із Гарварду – який невдовзі вирішить полишити сповнену бентежень фізику елементарних частинок заради більш тепличних умов молекулярної біології, де здобуде Нобелівську премію за сприяння розробці методу секвенування ДНК, – написав статтю, у якій показав, що розв’язання, яке запропонували Кляйн і Лі, схоже, призводить до протиріччя з теорією відносності, а отже, сумнівне.

Як ми вже бачили, калібрувальні теорії мають цікаву властивість, яка дозволяє довільно змінювати визначення позитивних та негативних зарядів у кожній точці простору без зміни будь-яких спостережуваних фізичних властивостей системи за умови, що електромагнітне поле має можливість як зберегти свої наявні взаємодії, так і змінитися таким чином, щоби правильно врахувати ці нові локальні варіації. Як наслідок можна здійснювати математичні обрахунки за будь-якого калібрування, тобто використовуючи будь-які конкретні локальні визначення зарядів та полів, консистентних із симетрією. Перехід від одного калібрування до іншого здійснюють за допомогою відповідного перетворення симетрії.

Хоча в цих різних калібруваннях теорія може виглядати зовсім по-різному, симетрія теорії гарантує, що обрахунки будь-якої фізично вимірювальної величини не залежать від вибору калібрування – а саме, що видимі відмінності є ілюзіями, які не відображають базисну фізику, котра визначає вимірювані значення всіх фізично спостережуваних величин. Таким чином, можна обирати таке калібрування, у якому легше проводити обрахунки, і очікувати, що в результаті обрахунків у будь-якому іншому калібруванні будуть одержані такі самі передбачені значення фізично спостережуваних величин.

Читаючи статті Швінґера, Хіггс збагнув, що деякі обрані калібрування можуть виглядати такими, що суперечать теорії відносності, так само, як, за словами Ґілберта, їй суперечить пропозиція Кляйна та Лі. Проте цей видимий конфлікт був просто артефактом певного конкретного вибору калібрування. В інших калібруваннях він зникне. Отже, коли справа дійде до формулювання фізичних передбачень, які можна перевірити, він не буде відображенням жодного реального конфлікту з теорією відносності. Тож можливо, що в калібрувальній теорії запропонований Кляйном та Лі спосіб позбутися безмасових частинок, пов’язаних зі спонтанним порушенням симетрії, усе-таки може спрацювати.

Хіггс дійшов висновку, що спонтанне порушення симетрії в моделі квантової теорії поля, яке включає в себе калібрувальну симетрію, може уникнути обмежень теореми Ґолдстоуна та породити масу для векторних бозонів, котрі можуть переносити сильну ядерну силу без участі будь-яких залишкових безмасових частинок. Це корелюватиме з виявленим Андерсоном електромагнетизмом у надпровідниках у нерелятивістському випадку. Іншими словами, через спонтанне порушення симетрії сильна взаємодія могла бути близькодійною силою.

Упродовж пари вікендів Хіггс працював, виписуючи модель, у рамках якої до моделі, яку використав Ґолдстоун для дослідження спонтанного порушення симетрії, додавався електромагнетизм. Хіггс виявив саме те, що очікував: передбачувана теоремою Ґолдстоуна безмасова мода натомість перетворювалася на додатковий поляризаційний ступінь свободи нині масивного фотона. Іншими словами, нерелятивістське твердження Андерсона для надпровідників поширювалося на релятивістські квантові поля. Усе-таки всесвіт міг поводитися, як надпровідник.

Коли Хіггс письмово оформив отримані результати й подав їх до європейського журналу «Physics Letters», його статтю одразу ж відхилили. Рецензент банально не зрозумів, яке вона має відношення до фізики елементарних частинок. Тож Хіггс додав кілька пасажів, у яких прокоментував можливі спостережувані наслідки своєї ідеї, і подав перероблений варіант до американського журналу «Physical Review Letters». Зокрема, він додав таке речення: «Варто зазначити, що ключовою рисою цього типу теорії є передбачення неповних мультиплетів скалярних та векторних бозонів».

Українською це означає, що Хіггс продемонстрував таке: при тому, що в його моделі можна прибрати безмасову скалярну частинку (вона ж бозон Ґолдстоуна) на користь масивної векторної частинки (масивного фотона), існуватиме також залишкова масивна скалярна (тобто безспінова) бозонова частинка, пов’язана з полем, конденсація якого порушила вихідну симетрію. Так народився бозон Хіггса (БХ).

«Physical Review Letters» швидко прийняли статтю, проте рецензент попросив Хіггса прокоментувати зв’язок його статті зі статтею Франсуа Анґлера й Роберта Браута, одержаною журналом десь за місяць до того. На превеликий подив Хіггса, вони незалежно від нього дійшли, по суті, тих самих висновків. І справді, подібність цих статей проявляється навіть у їхніх назвах. Стаття Хіггса називалася «Порушені симетрії й маси калібрувальних бозонів», а стаття Анґлера й Браута – «Порушена симетрія й маса калібрувальних векторних мезонів». Важко собі уявити подібніші назви за відсутності їхнього узгодження.

Проте на цьому щасливі збіги не закінчилися. Двадцять років по тому на черговій конференції Хіггс зустрівся з Намбу та дізнався, що той рецензував обидві ці статті. Годі й придумати щось доречніше за те, що саме людина, яка першою привнесла до фізики елементарних частинок ідеї порушення симетрії та надпровідності, рецензувала статті тих, хто продемонстрував, наскільки його ідеї були далекоглядними. І, як і сам Намбу, усі ці автори були одержимі сильною взаємодією й можливістю зрозуміти, яким чином протони, нейтрони й мезони можуть мати великі маси.

Ще однією ілюстрацією того, що на той час це відкриття назріло, стала поява десь через місяць статті іншої команди в складі Джеральда Гуральника, К. Р. Хаґена й Тома Кіббла, у якій було викладено багато цих самих ідей.

Може виникнути запитання, чому ми говоримо «бозон Хіггса», а не «бозон Хіггса – Браута – Анґлера – Гуральника – Хаґена – Кіббла». Окрім очевидної відповіді, що таке позначення вельми складно вимовити без запинки, з усіх поданих статей лише стаття Хіггса містила явне передбачення існування в масивних калібрувальних теоріях зі спонтанним порушенням симетрії супутнього масивного скалярного бозона. І, що цікаво, цю додаткову ремарку Хіггс включив лише тому, що оригінальний варіант статті без неї було відхилено.

І ще дещиця поетичності. Через кілька років після публікації його оригінальної статті Хіггс закінчив довшу статтю й був запрошений (1966 року) виступити на кількох заходах у США, де він проводив річну відпустку. Після виступу Хіггса в Гарварді, де Шелдон Ґлешоу вже на той час був професором, останній начебто похвалив Хіггса за винайдення «гарної моделі» й пішов собі. Одержимість сильною взаємодією була настільки сильною, що в той час Ґлешоу не збагнув, що це може стати ключем до розв’язання проблем теорії слабкої взаємодії, яку він опублікував п’ять років тому.

Частина 3

Об’явлення

Розділ 17

Не в тому місці в потрібний час

Не дайте себе звести, товариство лихе псує добрі звичаї!

1 до Коринтян 15:33

Усі шість авторів статей, у яких було описано те, що найчастіше називають механізмом Хіггса (хоча після нещодавнього вручення Нобелівської премії, яку Хіггс розділив з Анґлером, дехто називає це БАХ-механізмом на честь Браута, Анґлера та Хіггса), підозрювали та сподівалися, що їхня робота сприятиме розумінню сильної сили в ядрах. У їхніх статтях усі обговорення можливих експериментальних випробувань їхніх ідей торкалися сильної взаємодії, зокрема запропонованих Сакураї важких векторних мезонів, що переносять цю силу. Вони сподівалися, що теорія сильної взаємодії, яка надасть пояснення ядерних мас та близькодійних сильних ядерних сил, перебуває буквально за рогом.

Підозрюю, що на додачу до загального захоплення сильною ядерною силою в ядерній фізиці вчені намагалися застосувати свої нові ідеї до цієї теорії ще з однієї причини. З огляду на радіус дії та потужність цієї сили маси нових янг-міллзівсько-подібних частинок, необхідних для перенесення сильної взаємодії, мали бути порівнювані з масами самих протонів та нейтронів, а також інших нових частинок, виявлених у прискорювачах. Оскільки експериментальне підтвердження є найвищою честю, якої можуть удостоїтися теоретики, для них було цілком природно зосередитися на розумінні фізики на цих досяжних енергетичних масштабах, на яких нові ідеї й нові частинки можна було швидко перевірити та дослідити в наявних машинах, тож слава, якщо не багатство, уже чекала за рогом. Натомість, як показав Швінґер, будь-яка теорія, що стосувалася нових частинок, пов’язаних зі слабкою силою, вимагала, щоб їхня маса була на кілька порядків вищою, аніж досяжна в тогочасних прискорювачах. Це, вочевидь, була проблема, час розгляду якої ще не настав, принаймні на думку більшості фізиків.

Одним із багатьох зачарованих фізикою сильної взаємодії був молодий теоретик Стівен Вайнберґ. Тут також не обійшлося без поетичності. Вайнберґ зростав у Нью-Йорку та ходив у Бронкську спеціалізовану середню школу, яку закінчив 1950 року. Одним із його однокласників був Шелдон Ґлешоу, і вони разом поїхали вчитися до Корнелльського університету, де впродовж першого семестру разом жили в тимчасовому гуртожитку, після чого їхні шляхи розійшлися. Тоді як Ґлешоу пішов у докторантуру до Гарварду, Вайнберґ поїхав у Копенгаген, де Ґлешоу пізніше працюватиме як постдокторант, а закінчував дисертацію в Принстоні. Обидва на початку 1960-х викладали в Берклі, звідки того ж 1966 року пішли до Гарварду, де Ґлешоу обійняв посаду професора, а Вайнберґ – тимчасову посаду на час відпустки з Берклі. Потім, 1967 року, Вайнберґ переїхав до МТІ, проте 1973 року повернувся до Гарварду, щоб обійняти посаду й кабінет, які звільнив колишній науковий керівник Ґлешоу Джуліан Швінґер. (Коли Вайнбер в’їхав у його кабінет, він знайшов у прикомірку пару черевиків, що їх явно залишив Швінґер як виклик молодшому науковцеві спробувати гідно зайняти його місце; Вайнберґ із цим упорався.) Коли 1982 року Вайнберґ пішов із Гарварду, його посаду й кабінет обійняв Ґлешоу, проте жодних черевиків у прикомірку не виявив.

Життєві шляхи цих двох науковців переплелися, мабуть, настільки щільно, як і шляхи інших науковців останнього часу, проте вони утворюють цікавий контраст. Геніальність Ґлешоу поєднується з майже дитячим ентузіазмом до науки. Його сила полягає не стільки в навичках детальних обрахунків, скільки в креативності та розумінні експериментальної панорами. Натомість Вайнберґ, гадаю, є найакадемічнішим та найсерйознішим (щодо фізики) фізиком із тих, кого я знаю. Хоча він має чудове іронічне почуття гумору, за кожний фізичний проект береться відповідально й із наміром досконало оволодіти відповідною ділянкою. Його посібники з фізики – справжні шедеври, а його науково-популярні роботи яскраві та сповнені мудрості. Затятий читач праць з історії давнього світу, Вайнберґ повною мірою передає історичні аспекти не лише своєї роботи, а й усього фізичного цеху.

Вайнберґів підхід до фізики нагадує паровий коток. Коли я працював у Гарварді, ми, постдокторанти, називали його «Великий Стів». Коли він працював над якоюсь проблемою, найкраще, що ви могли зробити, це забратися з дороги, адже інакше неосяжна потужність його інтелекту й енергії вас просто розчавила б. Ще коли я перед переїздом до Гарварду працював у МТІ, мій тодішній товариш Лоуренс Голл був докторантом у Гарварді. Лоуренс обганяв мене в плані роботи, оскільки випустився раніше. Він розповів мені, що зміг завершити роботу з Вайнберґом, яка стала його дисертацією, тільки тому, що Вайнберґ щойно здобув Нобелівську премію (то був 1979 рік), і спричинене цією обставиною сум’яття змусило його сповільнитися настільки, що Лоуренс зумів закінчити свої обрахунки до того, як Вайнберґ його випередив.

Однією з найбільших удач у моєму житті була нагода впродовж перших та основоположних років моєї кар’єри тісно співпрацювати з Ґлешоу та Вайнберґом. Після того, як Ґлешоу допоміг мені врятуватися від чорної діри математичної фізики, він став моїм колегою в Гарварді й на довгі роки по тому. Вайнберґ навчив мене більшості з того, що я знаю про фізику елементарних частинок. У МТІ не треба прослуховувати курси, лише складати іспити, тож, працюючи в МТІ над докторською дисертацією, я записався лише на кілька курсів із фізики. Проте однією з фішок навчання в МТІ була можливість прослуховувати курси в Гарварді. Упродовж докторантури я записувався чи відвідував як вільний слухач усі курси для докторантів, які викладав Вайнберґ, від квантової теорії поля й далі. Ґлешоу та Вайнберґ стали взаємодоповнювальними прикладами для наслідування в моїй власній кар’єрі. Я намагався якнайкраще відтворювати перейняті від них риси, розуміючи при цьому, що моє «найкраще» і поруч не стояло з їхнім рівнем.

Вайнберґ мав і має широкий та незмінний інтерес до тонкощів квантової теорії поля і, як і багато хто на початку 1960-х, намагався зосередитися на тому, як можна зрозуміти природу сильної взаємодії, використовуючи ідеї симетрії, які на той час значною мірою завдяки роботам Гелл-Манна беззаперечно домінували в галузі.

Вайнберґ також розмірковував стосовно можливого застосування ідей порушення симетрії до розуміння ядерних мас на основі роботи Намбу та, як і Хіггс, був вельми розчарований результатом, який одержав Ґолдстоун, що така фізика завжди супроводжуватиметься безмасовими частинками. Тож Вайнберґ, як майже завжди, коли цікавився якоюсь фізичною ідеєю, вирішив, що має довести це самому собі. Саме тому його наступна стаття в співавторстві з Ґолдстоуном та Саламом містила кілька незалежних доведень цієї теореми в контексті сильно взаємодійних частинок і полів. Вайнберґ був настільки пригнічений можливими поясненнями сильної взаємодії за допомогою спонтанного порушення симетрії, що як епіграф додав до чорнового варіанта статті відповідь короля Ліра Корделії: «З нічого і не вийде нічого. Ще подумай – і скажи».[10] (У книжці «Всесвіт із нічого» я роз’яснюю, чому не є великим прихильником цієї цитати. Квантова механіка розмиває межі між чимось і нічим.)

Далі Вайнберґ дізнався про результат, який одержав Хіггс (та інші), що можна позбутися небажаних безмасових бозонів Ґолдстоуна, які виникають через порушення симетрії, якщо порушувана симетрія є калібрувальною симетрією, оскільки в цьому випадку безмасові бозони Ґолдстоуна зникають, а натомість безмасові калібрувальні бозони стають масивними. Проте на Вайнберґа це особливого враження не справило, оскільки, як і багато інших фізиків, він розглядав це як цікаву формальність.

Мало того, на початку 1960-х років ідея, що піон багато в чому подібний до бозона Ґолдстоуна, була використана для виведення кількох формул наближеного обчислення певних швидкостей реакції сильної взаємодії. Через це заклик позбутися бозонів Ґолдстоуна в сильній взаємодії став іще менш привабливим. Упродовж цього періоду Вайнберґ витратив кілька років на дослідження цих ідей. Він розробив теорію, згідно з якою деякі симетрії, які вважали пов’язаними із сильною взаємодією, могли спонтанно порушуватися, а різноманітні сильно взаємодійні векторні калібрувальні частинки, які переносять сильну взаємодію, могли набувати масу за механізмом Хіггса. Проблема полягала в тому, що він не міг досягти згоди зі спостереженнями, не зіпсувавши початкову калібрувальну симетрію, яка боронила його теорію. Єдиною можливістю уникнути цього й зберегти потрібну йому початкову калібрувальну симетрію було досягти, щоб деякі векторні частинки стали масивними, а інші лишилися безмасовими. Проте це суперечило експериментам.

Тоді одного дня 1967 року дорогою до МТІ він побачив світло, як буквально, так і фігурально (я їздив разом зі Стівом у Бостоні, і хоча я вижив, щоб розповісти про це, я побачив, що, коли він думає про фізику, його абсолютно перестають цікавити масивні об’єкти на кшталт інших автівок). Вайнберґ раптом збагнув, що, можливо, він і всі інші застосовували правильні ідеї спонтанного порушення симетрії, проте не до тієї проблеми! У природі був іще один приклад, пов’язаний із двома різними векторними бозонами, одним безмасового типу, а другим – масивного. Безмасовий векторний бозон міг бути фотоном, а масивним (чи масивними) – масивний(-і) переносник(-и) слабкої взаємодії, чиє існування десятиліттям раніше припустив Швінґер.

Якщо це було так, тоді слабкі й електромагнітні взаємодії можна було описати об’єднаним набором калібрувальних теорій, одна з яких відповідала б електромагнітній взаємодії (яка залишалася непорушною), а друга – слабкій взаємодії, і порушення калібрувальної симетрії призводило б до виникнення кількох масивних переносників цієї взаємодії.

У цьому випадку світ, у якому ми живемо, виглядав би точнісінько як надпровідник.

Слабка взаємодія була б слабкою через просту випадковість, унаслідок якої основний стан полів у нашому поточному всесвіті порушує калібрувальну симетрію, яка в іншому разі визначала б симетрію слабкої взаємодії. Фотоноподібні калібрувальні частинки набули б великих мас, і, як очікував Швінґер, слабка взаємодія стала б настільки близькодійною, що практично згасла б навіть на масштабах довжин протонів і нейтронів. Це також пояснило б, чому нейтронний розпад відбувається настільки повільно.

Масивні частинки, які переносять слабку взаємодію, виглядали б для нас так само, як виглядали б фотони для гіпотетичних фізиків, які живуть усередині надпровідника. А отже, різниця між електромагнетизмом і слабкою взаємодією була б настільки ж ілюзорною, як і різниця між силами, напрямленими вздовж крижини, і напрямленими перпендикулярно до неї з точки зору фізиків, які живуть на крижаних кристалах на віконному склі. Той факт, що у світі нашого з вами існування одна калібрувальна симетрія порушується, а друга – ні, стає простою випадковістю.

Вайнберґ прагнув уникнути роздумів про сильно взаємодійні частинки, оскільки ситуація з ними залишалася заплутаною. Тож він вирішив розмірковувати про частинки, які взаємодіють винятково шляхом слабкої чи електромагнітної взаємодії, а саме електрони й нейтрино. Оскільки слабка взаємодія перетворює електрони на нейтрино, йому довелося уявити собі набір заряджених векторних фотоноподібних частинок, які зумовлювали б таке перетворення. Ці частинки є нічим іншим, як зарядженими векторними бозонами, що їх передбачив Швінґер, які традиційно називаються бозонами W+ та W– (від англійського «weak», тобто «слабкий»).

Оскільки внаслідок слабкої взаємодії змішуються лише ліворукі електрони й нейтрино, один тип калібрувальної симетрії визначатиме винятково взаємодії ліворуких частинок із W-частинками. Але оскільки з фотонами взаємодіють як ліворукі, так і праворукі електрони, у це об’єднання треба якимось чином інкорпорувати калібрувальну симетрію електромагнетизму, щоб ліворукі електрони могли взаємодіяти і з фотонами, і з новими зарядженими W-бозонами, тоді як праворукі електрони взаємодіяли б лише з фотонами, проте не з W-частинками.

Математично єдиний спосіб це зробити, як виявив Шелдон Ґлешоу, коли шістьма роками раніше розмірковував про електрослабке об’єднання, полягав у введенні додаткового нейтрального слабкого бозона, з яким могли б взаємодіяти право-й ліворукі електрони на додачу до взаємодії з фотонами. Вайнберґ позначив цей новий бозон Z (від англійського «zero», тобто «нуль»).

Також у природі існувало б нове поле, яке формувало б у порожньому просторі конденсат, спонтанно порушуючи тим самим симетрії, що визначають слабку взаємодію. Елементарною частинкою, пов’язаною з цим полем, був би масивний бозон Хіггса, тоді як решта потенційних бозонів Ґолдстоуна з’їдалися б W– та Z-бозонами, які за рахунок цього ставали б масивними завдяки механізму, що його вперше описав Хіггс. У результаті цього залишався б єдиний безмасовий калібрувальний бозон – фотон.

Проте це ще не все. Завдяки калібрувальній симетрії, яку ввів Вайнберґ, його нова частинка Хіггса також взаємодіяла б з електронами, а формування конденсату привело б до набуття електронами, а також W– та Z-частинками маси. Таким чином, ця модель не лише пояснила б маси калібрувальних частинок, які переносять слабку силу, а й визначила б величину цієї сили. Це саме поле Хіггса також надало б маси електронам.

У цій моделі були наявні всі інгредієнти, необхідні для об’єднання слабкої та електромагнітної взаємодії. Мало того, відштовхуючись від калібрувальної теорії Янга – Міллза з безмасовими до порушення симетрії калібрувальними бозонами, була надія, що аналогічні видатні властивості симетрії калібрувальних теорій, уперше використані у квантовій електродинаміці, також дадуть цій теорії можливість досягти скінченних прийнятних результатів. Хоча фундаментальна теорія з масивними фотоноподібними частинками вочевидь не була позбавлена патологій, була надія, що, якщо маси з’являються винятково внаслідок порушення симетрії, ці патології не виникнуть. Проте на той час це була лише надія.

Очевидно, що в реалістичній моделі частинка Хіггса зв’язувалася б не лише з електроном, а й з іншими задіяними в слабкій взаємодії частинками. За відсутності конденсату Хіггса всі ці частинки: протони чи частинки, з яких вони складаються, мюони тощо – були б строго безмасовими. Кожен аспект, відповідальний за наше існування, узагалі за існування масивних частинок, з яких ми складаємося, постає наслідком простої випадковості природи – формування в нашому всесвіті специфічного конденсату Хіггса. Характерні риси, які роблять наш світ тим, чим він є, – галактики, зорі, планети, люди й взаємодії між усім цим, – суттєво відрізнялися б, якби такий конденсат ніколи не сформувався.

Або сформувався б якось інакше.

Так само, як світ, доступний чуттям уявних фізиків на крижаному кристалі на тому віконному склі холодного зимового ранку, був би зовсім іншим, якби цей кристал зорієнтувався в іншому напрямку, і риси нашого світу, які уможливлюють наше існування, критично залежать від природи цього конденсату Хіггса. Відповідно, те, що може здатися надзвичайною особливістю характеристик частинок і полів, з яких складається світ, у якому ми живемо, насправді не більш особливе, сплановане чи значуще за випадкову орієнтацію гребеня того крижаного кристала, хай би яким особливим значенням не наділяли його істоти, які живуть на тому кристалі.

І ще один, останній шматочок поезії. Унікальна янг-міллзівська модель, до якої 1967 року прийшов Вайнберґ і на яку рік по тому натрапив Абдус Салам, була точно тією самою моделлю, яку шістьма роками раніше запропонував давній шкільний товариш Вайнберґа Шелдон Ґлешоу у відповідь на кинутий Швінґером виклик виявити симетрію, яка могла б об’єднати слабку й електромагнітну взаємодії. Жоден інший вибір не зміг би математично відтворити те, що ми нині спостерігаємо у світі. Упродовж цих шести років модель Ґлешоу переважно ігнорували, оскільки на той час не було відомо жодного механізму, який надав би маси слабким бозонам. Але тепер цей механізм, механізм Хіггса, з’явився.

Вайнберґ та Ґлешоу, чиї життєві шляхи перепліталися із самого дитинства, пізніше разом із Саламом отримають Нобелівську премію за абсолютно незалежні відкриття найвидатнішого об’єднання у фізичній теорії відтоді, як Максвелл об’єднав електрику й магнетизм, а Ейнштейн – простір і час.

Розділ 18

Імла розсіюється

…та по цілій землі пішов відголос їхній, і до краю вселенної їхні слова!

Псалми 18:5

Можна було б очікувати, що появу статті Вайнберґа фізики з усіх куточків світу зустрінуть вечірками з феєрверками. Проте впродовж трьох років після публікації теорії Вайнберґа жоден фізик, навіть сам Вайнберґ, не знайшов приводу послатися на цю статтю, яка нині є однією з найбільш цитованих праць в усій фізиці елементарних частинок. Якщо й було зроблене видатне відкриття властивостей природи, цього ніхто не помітив.

Зрештою, максвеллівське об’єднання зробило чудове передбачення, що світло є електромагнітною хвилею, швидкість якої можна обрахувати неемпірично, і – вуаля! – передбачена швидкість світла збіглася з виміряною експериментально. Ейнштейнове об’єднання простору й часу передбачило вповільнення годинників для рухомих спостерігачів, і – вуаля! – вони дійсно сповільнюються саме так, як було передбачено. 1967 року об’єднання слабкої й електромагнітної взаємодій Ґлешоу – Вайнберґа – Салама передбачило існування трьох нових векторних бозонів, майже в сотню разів важчих за будь-які зафіксовані на той момент частинки. Вона також передбачила нові взаємодії між електронами, нейтрино й матерією, зумовлені свіжопередбаченою Z-частинкою, яку мало того, що ніхто ще ніколи не бачив, так ще й із деяких експериментів випливало, що вона не існує. Вона також вимагала існування нового й ще не виявленого масивного фундаментального скалярного бозона, частинки Хіггса, тоді як жодних фундаментальних скалярних частинок досі в природі не траплялося. І, нарешті, ніхто не знав, чи має вона сенс як квантова теорія.

Тож хіба варто дивуватися, що ця ідея одразу ж не оволоділа масами? Утім, упродовж десятиліття все зміниться, і наслідком цього стане найпродуктивніший у теоретичному плані період в історії фізики елементарних частинок із часів відкриття квантової механіки. І хоча процес почався з калібрувальної теорії слабкої взаємодії, кінцевий результат виявився набагато величнішим.

* * *

Першу тріщину в греблі на шляху течії прогресу 1971 року пробила робота, що вельми символічно, голландського докторанта Герарда ‘т Гофта. Я завжди пам’ятаю, як пишеться його ім’я, оскільки мій надзвичайно блискучий та дотепний колишній колега з Гарварду, покійний Сідні Коулман, казав, що, якби Герард носив запонки з монограмою, на них мав би бути апостроф. До 1971 року багато хто з найвидатніших фізиків-теоретиків світу намагався з’ясувати, чи нескінченності, які є справжнім бичем більшості квантових теорій поля, зникатимуть у теоріях спонтанно порушеної калібрувальної симетрії так само, як вони зникають у їхніх непорушених братах. Проте відповідь повсякчас їх уникала. Тим дивовижніше, що доказ, який не знайшли інші, виявив цей молодий докторант, котрий працював під керівництвом досвідченого професіонала Мартінуса Велтмана. Дуже часто, ознайомившись із новим результатом, ми, фізики, можемо проробити всі деталі та уявити, яким чином могли б відкрити це самі. Таке враження, що багато здогадів ‘т Гофта (а їх було багацько, і майже всі нові ідеї 1970-х років тим чи іншим чином походять із його теоретичних винаходів) черпалися ним із якогось прихованого резервуару інтуїції.

Іншою видатною рисою Герарда є його неабияка м’якість, сором’язливість та скромність. Від людини, яка стала знаменитістю у своїй галузі ще студентом, логічно було б очікувати якогось відчуття привілейованості. Проте з нашої найпершої зустрічі, коли я був іще скромним докторантом, Герард ставився до мене як до цікавого друга, і я радий, що можу сказати, що ці стосунки тривають і досі. Зустрічаючись із молодими студентами, які подеколи виглядають сором’язливими чи наляканими, я завжди намагаюся пригадати його манеру та наслідувати Герардову розкуту щедрість духу.

Його науковий керівник Мартінус Велтман, якого часто кличуть Тіні, відрізнявся від нього настільки, наскільки це взагалі можливо. Не те щоб Тіні не був приємним співрозмовником, це не так. Проте щоразу, як ми починали дискутувати, він завжди одразу ж чітко давав мені зрозуміти, що, що б я не казав, я розуміюся на цьому не зовсім добре. Я завжди із задоволенням приймав цей виклик.

Важливо зазначити, що ‘т Гофт ніколи б не зайнявся цією проблемою, якби нею не був одержимий Велтман, навіть попри те, що більшість інших здалися. Багато фахівців із цієї галузі вважали відверто наївною саму ідею можливості врешті-решт поширити методи, які розробили Фейнман та інші, для приборкання квантової електродинаміки, на спроби зрозуміти складніші теорії на кшталт теорії спонтанного порушення симетрії Янга – Міллза. Проте Велтман не полишив цей проект і, що було дуже мудро з його боку, узяв собі в помічники докторанта, який за сумісництвом був генієм.

На осягнення ідей ‘т Гофта й Велтмана й повсюдне взяття на озброєння розроблених першим із цих двох нових методів пішло чимало часу, проте вже десь за рік фізики дійшли згоди, що теорія, яку запропонував спочатку Вайнберґ, а пізніше Салам, має сенс. Кількість цитувань статті Вайнберґа раптом почала зростати експоненційно. Проте мати сенс і мати рацію – це різні речі. Чи дійсно природа послуговується цією авторства Ґлешоу, Вайнберґа й Салама конкретною теорією?

Це залишалося ключовим відкритим питанням, і досить тривалий час усе виглядало так, наче відповідь на нього – «ні».

Суттєвим доповненням, якого вимагала ця теорія на додачу до заряджених частинок, що її запропонував роком раніше Швінґер та інші, необхідних для перетворення нейтронів на протони, а електронів – на нейтрино, було існування нової нейтральної частинки Z. Це означало існування нового різновиду слабкої взаємодії не лише для електронів і нейтрино, а й для протонів із нейтронами, який переноситься за рахунок обміну новими нейтральними частинками. У цьому разі, як і в електромагнетизмі, ідентичність взаємодійних частинок не змінюється. Такі взаємодії стали відомі як взаємодії нейтральних струмів, і очевидним способом перевірити цю теорію було їх пошукати. Найкращим місцем для пошуку були взаємодії єдиних у природі частинок, які відчувають лише слабку взаємодію, тобто нейтрино.

Можливо, ви пригадуєте, що передбачення таких нейтральних струмів було однією з причин, чому не прижилася ідея Ґлешоу зразка 1961 року. Проте модель Ґлешоу не була повною теорією. Маси частинок були просто вручну підставлені в рівняння, через що не було можливості керувати квантовими корегуваннями. Проте коли Вайнберґ та Салам запропонували свою модель електрослабкого об’єднання, усі елементи, які уможливлювали детальні передбачення, уже були доступні. Так було передбачено масу Z-частинки і, як показав ‘т Гофт, можна було надійним чином обрахувати всі квантові корегування, точнісінько як у квантовій електродинаміці.

Це було одночасно добре й погано, оскільки не залишалося простору для пояснення будь-яких можливих розходжень зі спостереженнями. А 1967 року такі розбіжності начебто були. У високоенергетичних зіткненнях нейтрино з протонами не спостерігалося жодних нейтральних струмів, причому верхня межа була встановлена на рівні приблизно 10 % від частоти, спостережуваної у випадку більш знайомих зарядозмінюючих слабких взаємодій між нейтрино й протонами на кшталт нейтронного розпаду. Справи виглядали кепсько, і більшість фізиків вирішили, що слабких нейтральних струмів не існує.

Вайнберґ мав шкурний інтерес у цьому, і 1971 року він обґрунтовано доводив, що простір для маневру ще є. Проте переважна більшість інших членів спільноти його поглядів не поділяла.

На початку 1970-х років у Женеві, у Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН), було проведено нові експерименти з використанням тамтешнього протонного прискорювача, у якому високоенергетичні протони врізалися в довгу мішень. Більшість породжених у результаті зіткнення частинок поглиналися мішенню, проте нейтрино вилітали з її протилежного кінця, оскільки їхні взаємодії настільки слабкі, що вони здатні пройти крізь мішень непоглинутими. Далі одержаний високоенергетичний нейтринний пучок бив у розташований на його шляху детектор, здатний реєструвати кілька подій, у ході яких нейтрино могли взаємодіяти з матеріалом детектора.

Було збудовано новий велетенський детектор, названий «Ґарґамелла» на честь велетки, матері Ґарґантюа, персонажа творів французького письменника Рабле. Бульбашкова камера п’ять на два метри була наповнена перегрітою рідиною, у якій у результаті проходження крізь неї зарядженої частинки формувалися траси з бульбашок; це було схоже на спостереження інверсійного сліду літака, який летить настільки високо, що його самого не видно.

Що цікаво, коли 1968 року експериментатори, які збудували «Ґарґамеллу», зустрілися задля обговорення планів експериментів із нейтрино, ідея пошуку нейтральних струмів навіть не згадувалася – яскрава ознака того, як багато фізиків тоді вважали це питання закритим. Значно більше їх цікавила можливість піти стопами нещодавніх захопливих експериментів у Стенфордському центрі лінійного прискорювача (СЦЛП), де високоенергетичні електрони використовували як зонди для дослідження структури протонів. Використання зондів для протонів нейтрино могло дати чистіші результати вимірювань, адже нейтрино незаряджені.

Проте 1972 року, після публікації результатів ‘т Гофта та Велтмана, експериментатори почали серйозно ставитися до опису слабкої взаємодії за допомогою калібрувальної теорії, зокрема у варіанті Ґлешоу – Вайнберґа – Салама. Це означало пошук нейтральних струмів. У принципі в рамках колаборації «Ґарґамелла» це було можливо, хоча вона на це не була розрахована.

Більшість високоенергетичних нейтрино в пучку взаємодіятимуть із протонами в мішені, перетворюючись на мюони – важчих напарників електронів. Мюони виходитимуть із мішені, утворюючи довгий зарядженочастинковий трек аж до самого краю детектора. Протони перетворюватимуться на нейтрони, які самі по собі треків не утворюватимуть, проте стикатимуться з ядрами, породжуючи нетривалу зливу заряджених частинок, які залишать треки. Таким чином, експеримент було розроблено так, щоб зафіксувати мюонні треки й побічні зливи заряджених частинок, які виникатимуть як окремі сигнали тієї самої слабкої взаємодії.

Проте подеколи нейтрино взаємодіятиме з речовиною поза детектором, породжуючи нейтрон, який може відбитися назад у детектор і вступити у взаємодію там. Такі події складатимуться з однієї сильно взаємодійної зливи частинок, породжених зіткненням нейтрона, без супутнього мюонного треку.

Коли «Ґарґамелла» почала шукати події нейтрального струму, ці ізольовані зливи заряджених частинок без супутнього мюона стали просто сигналами, на яких мали зосередитися науковці. У рамках події нейтрального струму нейтрино, яке взаємодіє з нейтроном чи протоном у детекторі, не перетворюється на заряджений мюон, а просто відскакує та полишає детектор непоміченим. Спостережуваною буде лише віддача у вигляді ядерної зливи – така ж сигнатура, як у випадку більш звичних нейтринних взаємодій поза детектором, у яких зароджуються нейтрони, які відскакують назад у детектор та породжують ядерну зливу.

Таким чином, якщо завданням експерименту було впевнене засікання подій нейтрального струму, основною складністю було відрізнити події, спричинені нейтрино, від подій, спричинених нейтронами (ця сама проблема становила основну складність для експериментаторів, які шукали які-небудь слабко взаємодійні частинки, зокрема гіпотетичні частинки темної матерії, які нині розшукують у підземних детекторах по всьому світу).

На початку 1973 року було зафіксовано одиночний зворотний електрон за відсутності в детекторі будь-яких інших зарядженочастинкових треків. Це могло бути наслідком передбачених більш рідкісних нейтральнострумових зіткнень між нейтрино й електронами замість протонів чи нейтронів. Проте зазвичай однієї події замало для впевненого ствердження про нове відкриття у фізиці елементарних частинок. Одначе це давало надію, і до березня 1973 року ретельний аналіз нейтронних задників та спостережуваних ізольованих злив частинок почав наводити на думку, що слабкі нейтральнострумові взаємодії справді існують. Хай там як, та лише станом на липень 1973 року дослідники з ЦЕРН виконали достатню кількість перевірок, щоб достатньо впевнено стверджувати про виявлення нейтральних струмів, що вони й зробили в серпні на конференції в Бонні.

Тут наша оповідь могла б добігти свого кінця, проте, на жаль, невдовзі після цього інша група науковців, яка шукала нейтральні струми, повторно перевірила своє обладнання та виявила, що одержаний раніше сигнал нейтральних струмів зник. Це викликало значне збентеження та скептицизм у фізичній спільноті, і існування нейтральних струмів знову було поставлено під сумнів. Урешті-решт члени проекту «Ґарґамелла» почали з чистого аркуша, протестували свій детектор безпосередньо пучком протонів та зібрали значно більше даних. На конференції, яка відбувалася майже рік по тому, у червні 1974-го, команда «Ґарґамелли» представила непереборні докази існування потрібного сигналу. Водночас група-конкурент виявила причину своєї помилки та підтвердила результат «Ґарґамелли». Ґлешоу, Вайнберґа й Салама було реабілітовано.

Нейтронні струми було одержано, і здавалося, що видатне об’єднання слабкої та електромагнітної взаємодій вже у наших руках. Проте дві проблеми й досі залишалися невирішеними.

Існування нейтральних струмів у розсіюваннях нейтрино підтверджувало ідею існування Z-частинки, проте не гарантувало, що реальна слабка взаємодія ідентична варіанту Ґлешоу, Вайнберґа й Салама, за яким слабка й електромагнітна взаємодії були об’єднані. Дослідження цього питання вимагало експерименту з використанням частинки, яка брала участь і в слабкій, і в електромагнітній взаємодії. Для цього ідеально підходив електрон, оскільки він здатен брати участь лише в цих двох взаємодіях.

Коли електрони взаємодіють з іншими зарядами за рахунок електромагнітного тяжіння, ліво-та праворукі електрони поводяться ідентично. Проте теорія Ґлешоу – Вайнберґа – Салама вимагала, щоб для ліво-та праворуких електронів відбувалася по-різному. З цього випливало, що ретельне вимірювання розсіювання поляризованих електронів – електронів, від самого початку переведених до ліво-чи праворукого стану за допомогою магнітних полів – на різних мішенях має виявити порушення ліво-правої симетрії, проте не таке величезне, як асиметрія, яка спостерігається в розсіюваннях нейтрино, які є суто ліворукими. Тоді ступінь порушення симетрії в електронних розсіюваннях, якщо таке буде, відображатиме міру змішування слабкої взаємодії та електромагнетизму в рамках об’єднаної теорії.

Якщо вже на те пішло, ідею перевірки наявності такої інтерференції за допомогою розсіювання електронів запропонував ще аж 1958 року видатний радянський фізик Яків Борисович Зельдович. Проте мине двадцять років, перш ніж удасться провести достатньо чутливі експерименти. А щодо відкриття нейтрального струму, то тут дорога до успіху була вкрита вибоїнами та містила купу поворотів не туди.

Однією з причин, чому на перевірку цієї ідеї пішло настільки багато часу, є те, що слабка взаємодія слабка. Через домінування електромагнітної взаємодії електронів із матерією, ступінь ліво-правої асиметрії, передбаченої з огляду на можливий обмін Z-частинкою, був малим, менш ніж одна десятитисячна. Для перевірки наявності такої малої асиметрії пучок має бути одночасно інтенсивним та з чітко визначеною початковою поляризацією.

Найкращим місцем для проведення цих експериментів був Стенфордський лінійний прискорювач – збудований 1962 року електронний лінійний прискорювач завдовжки дві милі, який був найдовшою та найпрямішою будівлею з коли-небудь збудованих. Поляризовані пучки з’явилися 1970 року, проте лише 1978 року було розроблено та здійснено експеримент із достатньою чутливістю для пошуку слабко-електромагнітної інтерференції в розсіюванні електронів.

Тоді як успішне спостереження нейтральних струмів 1974 року означало, що теорія Ґлешоу – Вайнберґа – Салама почала здобувати широке визнання серед фізиків-теоретиків, експеримент у СЦЛП 1978 року був настільки важливим через те, що 1977-го було проведено два атомнофізичні експерименти, результати яких, якщо вони були правильні, упевнено перекреслювали цю теорію.

Досі в нашій оповіді ключову роль відігравало світло, освітлюючи (даруйте за каламбур) наше розуміння не лише електрики й магнетизму, а й простору, часу та, урешті-решт, квантового світу. Так і цього разу стало зрозуміло, що світло може допомогти в пошуках можливого електрослабкого об’єднання.

Першим видатним успіхом квантової електродинаміки стало передбачення спектра водню, а зрештою й інших атомів. Проте якщо електрони відчуватимуть ще й слабку силу, виникне невеличка додаткова сила між електронами та ядрами, яка змінить, хай ледве-ледве, характеристики їхніх атомних орбіт. Здебільшого ці зміни неспостережувані, оскільки слабкі ефекти губляться на тлі електромагнітних. Проте слабкі взаємодії порушують парність, тож та сама слабко-електромагнітна нейтральнострумова інтерференція, досліджувана за допомогою пучків поляризованих електронів, може викликати в атомах новітні ефекти, які зникали б, якби єдиною дієвою силою був електромагнетизм.

Зокрема, у випадку важких атомів теорія Ґлешоу – Вайнберґа – Салама передбачала, що якщо пропустити поляризоване світло крізь газ з атомів, то напрямок поляризації світла повернеться на приблизно одну мільйонну градуса через ефекти, які порушують парність нейтрального струму в атомах, крізь які це світло проходить.

1977 року в «Physical Review Letters» одна за одною вийшли друком статті, присвячені результатам двох незалежних атомнофізичних експериментів, проведених у Сіетлі та Оксфорді. Їхні результати жахали. Жодної оптичної ротації не спостерігали на рівні, удесятеро меншому за передбачений електрослабкою теорією. Якби такий результат було отримано лише в одному експерименті, ситуація була б менш однозначною. Проте однаковий результат двох незалежних експериментів із використанням незалежних методів справляв враження однозначності. Схоже, теорію було спростовано.

Утім, експеримент СЦЛП, який почався трьома роками раніше, був у самому розпалі, і оскільки всі приготування до його проведення вже стартували, було затверджено, що збір даних розпочнеться на початку 1978 року. З огляду на попередні нульові результати атомнофізичних експериментів Стенфордська колаборація доповнила експеримент кількома приблудами, щоб у разі, якщо ніякого ефекту виявлено не буде, бути певними, що, якби такий ефект мав місце, вони могли б його виявити.

Через два місяці після початку експерименту почали з’являтися чіткі ознаки порушення парності, і станом на червень 1978 року науковці оголосили про одержання ненульового результату, який узгоджувався з передбаченнями моделі Ґлешоу – Вайнберґа – Салама й базувався на вимірюванні розсіювання нейтрино під дією нейтрального струму, яке слугувало мірою сили Z-взаємодії.

Проте ще лишалися деякі відкриті питання, у першу чергу пов’язані з явною розбіжністю з результатами експериментів у Сіетлі та Оксфорді. Під час обговорення цієї теми в Калтеху Річард Фейнман у своїй звичній манері зосередився на ключовому спірному експериментальному питанні та поцікавився, чи перевіряли експериментатори зі СЦЛП, що їхній детектор однаково гарно реагує як на ліво-, так і на праворукі електрони. Вони цього не робили, проте з теоретичних міркувань не мали підстав очікувати різної поведінки детекторів у випадку різних поляризацій (вісім років по тому, після трагічного вибуху «Челленджера», Фейнман славетно докопається до суті іншої складної проблеми, ефектно продемонструвавши наслідки втрати еластичності гумовим кільцевим ущільненням членам комісії з розслідування катастрофи та телеглядачам, які дивилися пряму трансляцію засідання).

Упродовж осені група СЦЛП відшліфувала свій експеримент, щоб виключити як це, так і інші поставлені питання, і наприкінці осені відзвітувала про остаточний результат, який узгоджувався з передбаченням Ґлешоу – Вайнберґа – Салама з рівнем невизначеності, меншим за 10 %. Електрослабке об’єднання було реабілітоване!

На сьогодні мені невідомо, чи має хтось гарне пояснення причин одержання хибних результатів початкових атомнофізичних експериментів (результати подальших експериментів відповідали теорії Ґлешоу – Вайнберґа – Салама), окрім того, що проводити експерименти й теоретично інтерпретувати їхні результати – складна справа.

Проте лише за рік, у жовтні 1979-го, Шелдон Ґлешоу, Абдус Салам і Стівен Вайнберґ були нагороджені Нобелівською премією за їхню вже експериментально підтверджену електрослабку теорію, яка об’єднувала дві з чотирьох сил природи на основі однієї фундаментальної симетрії – калібрувальної інваріантності. Якби не незриме порушення калібрувальної симетрії, слабкі й електромагнітні взаємодії виглядали б ідентично. Проте в цьому випадку всі частинки, з яких ми складаємося, не мали б маси, і нам було б байдуже, оскільки нас не існувало б…

Проте це ще не кінець оповіді. Дві з чотирьох – це лише дві з чотирьох. Сильна взаємодія, від якої відштовхувалася значна частина робіт, що привели до електрослабкого об’єднання, досі вперто опиралася будь-яким спробам її пояснити, навіть попри оформлення електрослабкої теорії. Жодні пояснення сильної ядерної сили через спонтанно порушувані калібрувальні симетрії не витримали випробування експериментом.

Тож навіть попри те, що науковці-філософи ХХ століття, шкутильгаючи, здолали заплутаний та кволо освітлений шлях і вибралися з печери тіней, щоби поглянути на приховану натомість під поверхнею реальність, посталому перед ними чудовому гобелену природи бракувало ще однієї сили, необхідної для розуміння фундаментальної структури матерії.

Розділ 19

Нарешті вільні

Відпусти Мій народ…

Вихід 9:1

Довга дорога, що вела до електрослабкого об’єднання, стала втіленням вищого пілотажу інтелектуальної завзятості та майстерності. Проте це також утілення вищого пілотажу під час руху не вгору, а в об’їзд гори. Майже всі основні ідеї, що їх запропонували Янг, Міллз, Юкава, Хіггс та інші, які привели до цієї теорії, були розроблені в ході невдалих на вигляд спроб зрозуміти найпотужнішу силу в природі – сильну ядерну силу. Згадаймо, що ця сила та її провісники, сильно взаємодійні частинки, настільки замучили фізиків, що в 1960-х роках багато з них втратили всіляку надію коли-небудь пояснити її за допомогою методів квантової теорії поля, які наразі були настільки вдало застосовані для опису як електромагнетизму, так і слабкої взаємодії.

Був один успіх, пов’язаний передусім із версією Гелл-Манна та Цвейґа, що всі спостережувані сильно взаємодійні частинки, зокрема протон та нейтрон, можна представити складеними з більш фундаментальних об’єктів, які, як згадувалося вище, Гелл-Манн назвав кварками. Усі відомі сильно взаємодійні частинки, а також невиявлені на той час частинки, можна було класифікувати, виходячи з того, що вони складаються з кварків. Мало того, аргументи симетрії, які, зокрема, підказали Гелл-Манну ідею його моделі, слугували базисом для осмислення заплутаних натомість даних, пов’язаних із реакціями сильно взаємодійної матерії.

Утім, Гелл-Манн допускав, що його схема може бути лише математичною конструкцією, корисною для класифікації, і що кварки можуть не бути відображенням реальних частинок. Зрештою, ані в прискорювачах, ані в експериментах із космічними променями ніхто ніколи не спостерігав вільних кварків. Можливо, на нього справила вплив популярна ідея, що квантова теорія поля, а отже, і поняття власне елементарних частинок на ядерних масштабах ламалися. Навіть 1972 року Гелл-Манн проголошував: «Дозвольте на закінчення підкреслити наш основний пункт, що може бути цілком можливо сконструювати явну теорію адронів на основі кварків і якогось різновиду клею… Оскільки сутності, які слугують нам відправною точкою, вигадані, нема ніякої потреби вступати в конфлікт із точкою зору… бутстрап-/моделі/».

Розглядаючи в цьому контексті спроби описати сильну взаємодію за допомогою калібрувальної квантової теорії поля Янга – Міллза з реальними калібрувальними частинками як переносниками цієї сили виглядають недоречними. Окрім того, це здавалося неможливим. Усе виглядало так, що сильна сила діє винятково на ядерних масштабах, тож, якщо описувати її калібрувальною теорією, фотоноподібні частинки-переносники цієї сили мають бути важкими. Проте не було жодних свідчень роботи механізму Хіггса з масивними сильно взаємодійними БХ-подібними частинками, які можна було б легко зафіксувати в ході експериментів. На додачу до всього цього ця сила була банально настільки сильною, що, навіть якби її вдалося описати за допомогою калібрувальної теорії, усі методи квантової теорії поля, розроблені для виведення передбачень, які настільки гарно себе показали в роботі з іншими силами, у разі застосування до сильної взаємодії зламалися б. Ось чому в процитованому вислові Гелл-Манна згадується «бутстрап» – дзеноподібна ідея, що жодні частинки не є істинно фундаментальними. Якщо ваша ласка, тут може бути звук відсутніх аплодисментів.

Щоразу, як теорія заходить у подібний глухий кут, дуже корисно мати провідником експеримент, і саме це сталося 1968 року. Низка визначальних експериментів, що їх провели Генрі Кендалл, Джеррі Фрідман та Річард Тейлор із використанням новозбудованого Стенфордського лінійного прискорювача для розсіювання високоенергетичних електронів на протонах та нейтронах, виявили дещо надзвичайне. Судячи з усього, протони та нейтрони дійсно мали якусь субструктуру, проте дуже дивну. Зіткнення мали абсолютно неочікувані властивості. Чи був цей сигнал зумовлений кварками?

На допомогу швидко прийшли теоретики. Джеймс Бьйоркен продемонстрував, що феномен під назвою «скейлінг», який зафіксували експериментатори, можна пояснити, якщо протони й нейтрони складаються з практично невзаємодійних точкоподібних частинок. Далі Фейнман проінтерпретував ці об’єкти як реальні частинки, які він назвав партонами, та висловив припущення, що вони є ідентичними кваркам Гелл-Манна.

Проте така картина мала велику проблему. Якщо всі сильно взаємодійні частинки складаються з кварків, тоді й самі кварки мають бути сильно взаємодійними. Чого ж усе виглядає так, що всередині протонів і нейтронів вони майже вільні й не взаємодіють сильно один з одним?

Мало того, 1965 року Намбу, Хан Му-Янг та Оскар Ґрінберґ переконливо показали, що, якщо сильно взаємодійні частинки складаються з кварків і є ферміонами, як електрони, тоді Гелл-Маннова класифікація відомих частинок як різноманітних комбінацій кварків буде послідовною лише в тому випадку, якщо кварки мають якийсь новий різновид внутрішнього заряду – новий янг-міллзівський калібрувальний заряд. З цього випливало, що вони сильно взаємодіють за допомогою нового набору калібрувальних бозонів, які тоді дістали назву «глюони». Але де були глюони, а де кварки й чому не було жодних свідчень сильної взаємодії кварків усередині протонів і нейтронів, якщо вони дійсно ідентичні партонам Фейнмана?

З кварками була пов’язана ще одна проблема: протони й нейтрони беруть участь у слабких взаємодіях, і якщо ці частинки складаються з кварків, тоді кварки повинні брати участь не лише в сильних, а й у слабких взаємодіях. Гелл-Манн виокремлював три різні типи кварків, які охоплювали всі відомі на той час сильно взаємодійні частинки. Мезони могли складатися з пар «кварк – антикварк». Протони й нейтрони могли складатися з трьох частково заряджених кварків, які Гелл-Манн назвав верхнім (u-, від англійського «up», тобто «верх») та нижнім (d-, від англійського «down», тобто «низ») кварками. Протони складалися з двох верхніх і одного нижнього кварка, а нейтрони – з двох нижніх і одного верхнього. На додачу до цих двох типів кварків, для створення нових екзотичних елементарних частинок був потрібен іще один тип кварків, важча версія нижнього кварка. Гелл-Манн назвав цей кварк дивним (s-, від англійського «strange», тобто «дивний»), а частинки, які містять s-кварки, були названі такими, яким властива «дивність».

Коли нейтральні струми були вперше запропоновані як частини слабкої взаємодії, виникла проблема. Якщо кварки взаємодіють із Z-частинками, тоді u-, d-, та s-кварки до та після нейтральнострумової взаємодії можуть залишитися u-, d-, та s-кварками, так само як електрони до та після цієї взаємодії лишаються електронами. Проте оскільки d– та s-кварки мають строго однакові електричні та ізотопічноспінові заряди, ніщо не завадило б s-кварку за результатами взаємодії з Z-частинкою перетворитися на d-кварк. Це дало б змогу частинкам, які містять s-кварки, розпадатися на частинки, які містять d-кварки. Проте жодного такого «розпаду зі зміною дивності» не було зафіксовано навіть в експериментах із дуже високою чутливістю. Щось тут було не так.

Відсутність «нейтральних струмів, що змінюють дивність» блискуче пояснив у 1970 році (принаймні на принциповому рівні) Шелдон Ґлешоу спільно з Джоном Іліопулосом та Лучано Майяні. Вони серйозно поставилися до кваркової моделі та висловили припущення, що, якщо існує четвертий кварк, який вони охрестили чарівним (c– від англійського «charm», тобто «чарівність») і який має такий самий заряд, що й u-кварк, тоді в обчисленій частоті перетворення s-кварка на d-кварк відбудеться дивовижне математичне взаємоскорочення, і нейтральні струми, що змінюють дивність, зникнуть, що відповідатиме даним експериментів.

Мало того, з цієї схеми стала випливати гарна симетрія між кварками й частинками на кшталт електронів і мюонів, які всі могли існувати у вигляді пар, зв’язаних за допомогою слабкої сили. Електрон парувався б із власним нейтрино, так само як і мюон. Також пари утворювали б верхній кварк із нижнім та чарівний кварк із дивним. W-частинки, взаємодіючи з однією з частинок у кожній парі, перетворювали б її на іншу частинку з цієї пари.

Утім, жодне з цих тверджень не вирішувало головних проблем сильної взаємодії між кварками. Чому ніхто ніколи не спостерігав жодного кварка? І, якщо сильна взаємодія описується калібрувальною теорією з глюонами в ролі калібрувальних частинок, як так сталося, що ніхто ніколи не спостерігав жодного глюона? І якщо глюони безмасові, як сильна сила може бути близькодійною?

Для декого ці проблеми залишалися свідченням того, що квантова теорія поля була хибним підходом до розуміння сильної сили. Фрімен Дайсон, який зіграв настільки важливу роль у розробці першої успішної квантової теорії поля, а саме квантової електродинаміки, стверджував, описуючи сильну взаємодію: «Правильна теорія буде знайдена не раніше, ніж за сто років».

Одним із тих, хто був переконаний у приреченості квантової теорії поля, був блискучий молодий фізик-теоретик Девід Ґросс. Учень Джефрі Чю, винахідника бутстрап-моделі ядерної демократії, у якій елементарні частинки були лише ілюзією, що маскує структуру, у якій реальні лише симетрії, а не частинки, Ґросс був усерйоз налаштований на остаточне знищення квантової теорії поля.

Згадаймо, що навіть 1965 року, коли Річард Фейнман одержав Нобелівську премію, побутувало відчуття, що розроблена ним та іншими процедура позбуття нескінченностей у квантовій теорії поля була фокусом; що на малих масштабах із картиною, запропонованою квантовою теорією поля, щось було фундаментально не так.

У 1950-х роках російський фізик Лев Ландау показав, що електричний заряд електрона залежить від масштабу, на якому він вимірюється. З нікуди вигулькують віртуальні частинки, тож електрони та всі інші елементарні частинки перебувають в оточенні хмари пар віртуальних частинок й античастинок. Ці пари екранують заряд аналогічно до екранування заряду в діелектриках. Позитивно заряджені віртуальні частинки схильні щільно оточувати негативний заряд, тож на відстані фізичні впливи початкового негативного заряду зменшуються.

Згідно з Ландау, це означало, що чим ближче ви підбираєтеся до електрона, тим більшим виглядатиме його дійсний заряд. Якщо заряд електрона дорівнює певному конкретному значенню при вимірюванні з великих відстаней, як ми це й робимо, це означає, що «чистий» заряд електрона, себто заряд на елементарній частинці, узятій без усього цього нескінченного вбрання з пар «частинка – античастинка», які оточують його на будь-яких маленьких масштабах, має бути нескінченним. У цій картині явно завелася гнилизна.

Ґросс працював під впливом не лише свого наукового керівника, а й думок, які на той час домінували, головним чином аргументів Гелл-Манна, котрий наприкінці 1950-х та на початку 1960-х років домінував у теоретичній фізиці елементарних частинок. Гелл-Манн обстоював використання алгебраїчних співвідношень, що постають із розмірковувань про теорію поля, після чого теорію поля треба було відкинути, а співвідношення лишити. Один із дуже характерних для нього описів звучав так: «Цей процес можна порівняти з методом, подеколи використовуваним у французькій кухні: шмат м’яса фазана готують поміж двома скибочками телятини, які після цього викидають».

Тож можна було виділити властивості кварків, корисні для передбачень, а тоді ігнорувати власне можливе існування кварків. Одначе Ґросс почав розчаровуватися в простому використанні ідей, пов’язаних із глобальними симетріями й алгебрами, та прагнув вивчати динаміку, яка дійсно могла б описати фізичні процеси, що відбуваються всередині сильно взаємодійних частинок. Спираючись на попередню роботу Джеймса Бьйоркена, Ґросс та його напарник Кертіс Калан показали, що заряджена частинка, судячи з усього, розташована всередині протонів і нейтронів, повинна мати спін ½, ідентичний спіну електронів. Пізніше, уже з іншими напарниками, Ґросс показав, що аналогічний аналіз виміряного в ЦЕРН розсіювання нейтрино на протонах та нейтронах засвідчив, що ці компоненти виглядають точно як запропоновані Гелл-Манном кварки.

Якщо щось крякає, як качка, і ходить, як качка, то це, імовірно, качка. Тож для Ґросса й інших реальність кварків була переконливо доведена.

Проте як би переконані не були Ґросс та багато інших у реальності кварків, вони були не менш переконані, що з цього випливало, що теорія поля ніяк не могла бути правильним способом опису сильної взаємодії. Результати експериментів вимагали, щоб складові елементи практично не взаємодіяли між собою; жодної сильної взаємодії.

1969 року колеги Ґросса з Принстона Кертіс Калан та Курт Симанзік перевідкрили систему рівнянь, яку досліджували спершу Ландау, а пізніше Гелл-Манн та Френсіс Лоу і яка описувала можливу зміну величин у квантовій теорії поля залежно від масштабу. Якщо партони, існування яких випливало з експериментів у СЦЛП, беруть участь хоч у якихось взаємодіях, як це мають робити кварки, тоді матимуть місце вимірювані відхилення від виведеного Бьйоркеном скейлінгу, і, відповідно, треба буде відкоригувати результати, які одержали ґросс та його напарники, порівнянюючи теорію з результатами експериментів у СЦЛП.

Упродовж наступних двох років на тлі результатів ‘т Гофта та Велтмана й дедалі більшої успішності передбачень теорії слабкої й електромагнітної взаємодій, усе більше людей почали знову звертати увагу на квантову теорію поля. Ґросс вирішив довести з великим ступенем узагальненості, що жодна притомна квантова теорія поля не здатна відтворити експериментальні результати стосовно природи протонів і нейтронів, одержані в СЦЛП. Таким чином він сподівався покласти край усьому цьому підходу до спроб зрозуміти сильну взаємодію. По-перше, він довів би, що єдиний спосіб пояснити результати СЦЛП полягав у тому, що якимось чином на коротких відстанях сила взаємодій квантового поля знижується до нуля, тобто на коротких відстанях поля, по суті, стають невзаємодійними. Далі, як наступний крок, він показав би, що ця властивість не притаманна жодній квантовій теорії поля.

Пригадаймо, що Ландау показав, що квантова електродинаміка, прототипічна узгоджена квантова теорія поля, поводиться точно навпаки. У міру того, як розмірність, на якій ви досліджуєте частинки (на кшталт електронів), зменшується, сила електричних зарядів збільшується через існування хмари віртуальних частинок і античастинок, що їх оточує.

На початку 1973 року Ґросс та його напарник Джорджо Парізі завершили першу частину доведення, а саме що зі спостережуваного в СЦЛП скейлінгу випливає, що, якщо сильну ядерну силу можна описати якою-небудь фундаментальною квантовою теорією поля, сильні взаємодії складових протона повинні обнулюватися на малих масштабах відстані.

Далі Ґросс спробував показати, що така поведінка, а саме обнулення сили взаємодій на малих масштабах відстані, яке він назвав асимптотичною свободою, не властива жодній теорії поля. За допомогою Сідні Коулмана з Гарварду, який у той час відвідував Принстон, Ґросс зумів довести це твердження для всіх притомних квантових теорій поля, крім калібрувальних теорій янг-міллзівського типу.

Тоді Ґросс узяв керівництво новим докторантом, 21-річним Френком Вільчеком, який перейшов до Принстона з Чиказького університету з наміром вивчати математику, проте, прослухавши докторантський курс Ґросса з теорії поля, змінив фах на фізику.

Ґроссу або пощастило, або він був дуже проникливий, оскільки став науковим керівником докторських дисертацій двох найсвітліших голів із-поміж фізиків мого покоління: Вільчека та Едварда Віттена, який стояв на чолі струннотеоретичної революції 1980-1990-х років і є єдиним фізиком в історії, відзначеним престижною Філдсівською премією, найвищою нагородою для математиків. Вільчек, можливо, є одним із кількох справжніх фізиків-поліматів. На початку 1980-х років ми з Френком стали частими напарниками й друзями, і він є не лише одним із найбільш творчих фізиків, з якими мені доводилося працювати, він також володіє енциклопедичними знаннями з цієї сфери. Він прочитав майже всі коли-небудь написані праці з фізики і засвоїв цю інформацію. За ці роки він зробив чимало фундаментальних внесків не лише у фізику елементарних частинок, а й у космологію та фізику матеріалів.

Ґросс доручив Вільчеку асистувати йому в дослідженні останньої лазівки в його попередньому доведенні – визначенні, як змінюється сила взаємодії в янг-міллзівських теоріях у разі переходу до менших масштабів відстані, – і довести, що ці теорії також не здатні проявляти асимптотичну свободу. Вони вирішили безпосередньо та явно обраховувати поведінку взаємодій у цих теоріях на дедалі менших масштабах відстані.

То було неймовірно важке завдання. Відтоді було розроблено інструменти для здійснення таких обчислень, як домашнє завдання в рамках докторантського курсу. Мало того, проводити обчислення завжди легше, коли відомо, якою має бути відповідь, як нам це відомо зараз. Після кількох гарячкових місяців, сповнених фальстартів та численних помилок, у лютому 1973 року вони закінчили обрахунки і, на превеликий подив Ґросса, виявили, що янг-міллзівські теорії все-таки є асимптотично вільними – у цих теоріях сила взаємодії таки прямує до нуля в міру наближення взаємодійних частинок одна до одної. Пізніше у своїй Нобелівській промові Ґросс висловився так: «Для мене відкриття асимптотичної свободи було цілковитою несподіванкою. Наче атеїст, який отримав послання від Неопалимої Купини, я негайно став ревним віруючим».

Сідні Коулман доручив своєму докторантові Девіду Поліцеру виконати аналогічні обрахунки, і його незалежний результат, одержаний приблизно в той же час, узгоджувався з результатами Ґросса й Вільчека. Узгодженість результатів надала обом групам великої впевненості в них.

Янг-міллзівські теорії не просто асимптотично вільні; це єдині теорії поля, яким це властиво. Це навело Ґросса й Вільчека на думку, висловлену у вступі до їхньої основоположної статті, що через цю унікальність і через те, що з огляду на результати експериментів у СЦЛП 1968 року асимптотична свобода, схоже, була необхідним елементом будь-якої теорії сильної взаємодії, можливо, деяка янг-міллзівська теорія могла б пояснити сильну взаємодію.

Залишалося визначити, яка саме янг-міллзівська теорія потрібна для цього, а також чому безмасові калібрувальні частинки, що є фірмовим знаком янг-міллзівських теорій, досі не були виявлені. Також лишалося актуальним ще одне давнє і, мабуть, найважливіше пов’язане з цим питання: «Де кварки?»

Проте перед тим, як перейти до розгляду цих питань, можливо, вас цікавить, чому поведінка янг-міллзівських теорій настільки відрізняється від їхнього простішого брата – квантової електродинаміки, для якої Ландау показав збільшення сили взаємодії між електричними зарядами за умови зменшення масштабів довжини.

Ключ до відповіді дещо неочевидний і захований у природі безмасових калібрувальних частинок у теорії Янга – Міллза. На відміну від фотонів у КЕД, які не мають електричного заряду, глюони, передбачені переносники сильної взаємодії, мають янг-міллзівські заряди, а отже, взаємодіють між собою. Утім, через те, що янг-міллзівські теорії складніші за КЕД, заряди глюонів також складніші за прості електричні заряди електронів. Кожен глюон схожий не лише на заряджену частинку, а й на маленький заряджений магніт.

Якщо піднести маленький магніт до шматка заліза, залізо намагнічується, і ви матимете більш потужний магніт. Щось на кшталт цього відбувається в янг-міллзівських теоріях. Якщо взяти якусь частинку з янг-міллзівським зарядом, скажімо, кварк, тоді кварки й антикварки можуть вигулькувати з вакууму навколо заряду й екранувати його, як це відбувається в електромагнетизмі. Проте глюони також можуть вигулькувати з вакууму, а оскільки вони поводяться, як маленькі магніти, то схильні орієнтуватися вздовж напрямку поля, породженого початковим кварком. Це збільшує силу поля, що, своєю чергою, змушує вигулькувати з вакууму більше глюонів, які додатково посилюють поле, і так далі.

Як наслідок, чим глибше вдається зануритись у хмару віртуальних глюонів, себто чим ближче вдається підібратися до кварка, тим слабшим виглядатиме поле. Кінець кінцем, у міру наближення кварків один до одного їхня взаємодія стає настільки слабкою, що вони починають поводитися так, наче зовсім не взаємодіють, що є характерною ознакою асимптотичної свободи.

Тут я використовував як позначення «глюони» та «кварки», проте відкриття асимптотичної свободи не вказує суто на якусь конкретну янг-міллзівську теорію. Проте Ґросс та Вільчек збагнули, що природним кандидатом була янг-міллзівська теорія, яку Ґрінберґ та інші позиціонували як необхідну для того, щоб кваркова гіпотеза Гелл-Манна могла пояснити спостережувану природу елементарних частинок. У цій теорії кожен кварк переносить один із трьох різних типів зарядів, що позначаються за браку кращих варіантів кольорами, скажімо, червоним, зеленим чи синім. З огляду на цю номенклатуру Гелл-Манн придумав для своєї янг-міллзівської теорії спеціальну назву – «квантова хромодинаміка (КХД)», себто квантова теорія кольорових зарядів, за аналогією з квантовою електродинамікою, себто квантовою теорією електричних зарядів.

Виходячи зі спостережних аргументів на користь такої пов’язаної з кварками симетрії, Ґросс та Вільчек постулювали, що квантова хромодинаміка є неомильною калібрувальною теорією сильної взаємодії кварків.

Приблизно через рік після цих теоретичних звитяг видатна ідея асимптотичної свободи дістала не менш видатний експериментальний стимул. У ході експериментів у СЦЛП і на іншому прискорювачі в Брукхейвені, що на Лонг-Айленді, було зроблене разюче й несподіване відкриття нової масивної елементарної частинки, яка – виглядало на те – могла складатися з нового кварка, а саме з так званого чарівного кварка, що його передбачили Ґлешоу та його друзі чотирма роками раніше.

Проте це нове відкриття було цікаве тим, що нова частинка жила значно довше, ніж можна було собі уявити, виходячи з виміряного часу життя нестабільних легших сильно взаємодійних частинок. За словами експериментаторів, які відкрили цю нову частинку, спостерігати її було подібно до блукання джунглями й виявлення нової раси людей, які доживають не до ста, а до десяти тисяч років.

Якби це відкриття було зроблено якихось п’ять років тому, воно здавалося б непоясненним. Проте цього разу фортуна всміхнулася тим, хто був до цього готовий. Том Аппельквіст та Девід Поліцер, які в той час працювали в Гарварді, швидко збагнули, що, якщо сильній взаємодії справді властива асимптотична свобода, то можна показати, що взаємодії, які керують більш масивними кварками, будуть слабшими за взаємодії, які керують легшими, більш звичними кварками. Слабші взаємодії означають, що частинки розпадаються повільніше. Те, що за інших обставин було б таємницею, у цьому разі стало підтвердженням нової ідеї асимптотичної свободи. Здавалося, усі шматочки мозаїки стають на свої місця.

За винятком однієї напрочуд великої проблеми. Якщо теорія квантової хромодинаміки була теорією взаємодій кварків і глюонів, де перебувають усі ці кварки й глюони? Як так сталося, що їх ніхто ніколи не спостерігав у рамках експериментів?

Ключову підказку дає асимптотична свобода. Якщо сила слабкої взаємодії зменшується в міру наближення до кварка, то, відповідно, вона повинна збільшуватися в міру віддалення від кварка. Тепер уявімо, що трапиться, якщо взяти кварк і антикварк, зв’язані докупи сильною взаємодією, і спробувати їх роз’єднати. У міру відтягнення їх один від одного потрібно дедалі більше енергії, оскільки сила тяжіння між ними збільшується зі збільшенням відстані. Урешті-решт у полях навколо кварка накопичується стільки енергії, що стає енергетично вигідніше породити з вакууму нову пару «кварк – антикварк» і зв’язати їх з однією з початкових частинок. Схематично цей процес можна зобразити так:

Це схоже на розтягнення гумової стрічки. Замість розтягуватися вічно, стрічка врешті-решт розірветься навпіл. У такому випадку кожен шматок являтиме собою нову зв’язану пару «кварк – антикварк».

Яке це має значення для експериментів? Ну, якщо розігнати частинку на кшталт електрона й вона зіткнеться з кварком усередині протона, то виб’є кварк із протона. Проте щойно кварк почне рухатися до виходу з протона, його взаємодія з іншими кварками, що лишилися, збільшиться, і зрештою стане енергетично вигідніше породити з вакууму віртуальні пари «кварк – антикварк» і прив’язати їх як до вибитого кварка, так і до тих, що лишилися. Це означає, що утвориться злива сильно взаємодійних частинок на кшталт протонів, нейтронів, піонів тощо, які рухатимуться вздовж напрямку руху початкового вибитого кварка, і аналогічно злива сильно взаємодійних частинок, що відскакують у напрямку руху решти початкових кварків, що залишилися від протона. Самих кварків ніколи не буде видно.

Аналогічно, якщо частинка зіткнеться з кварком, подеколи кварк перед зв’язуванням із виниклим із вакууму антикварком випустить у відповідь глюон. Тоді, оскільки глюони взаємодіють як із кварками, так і між собою, цей новий глюон може випустити ще більше глюонів. Ці глюони, своєю чергою, будуть оточені новими кварками, що вигулькують із вакууму, створюючи нові сильно взаємодійні частинки, які рухаються вздовж напрямку руху кожного з початкових глюонів. У цьому випадку подеколи можна очікувати побачити не одну зливу, що рухається в напрямку початкового кварка, а кілька злив, які відповідають кожному випущеному дорогою новому глюону.

Оскільки квантова хромодинаміка є конкретною, чітко визначеною теорією, можна передбачити частоту випускання кварками глюонів, частоту спостереження єдиної зливи, яка називається струменем, вибитим під час зіткнення електрона з протоном чи нейтроном, частоту спостереження двох злив тощо. Урешті-решт, коли прискорювачі стали достатньо потужними для спостереження всіх цих процесів, спостережувані частоти гарно узгоджувалися з передбаченнями теорії.

Є всі підстави вважати, що ця картина вільних кварків та глюонів, які настільки швидко зв’язуються з новими кварками та антикварками, що ніхто ніколи не побачить вільний кварк чи глюон, правильна. Це явище називається конфайнмент (від англійського «confinement», себто «утримання»), оскільки кварки та глюони завжди утримуються всередині сильно взаємодійних частинок на кшталт протонів та нейтронів і ніколи не можуть вивільнитися з них без того, щоб стати частиною новостворених сильно взаємодійних частинок.

Оскільки сам процес, унаслідок якого кварки утримуються в частинках, відбувається тоді, коли сили стають дедалі сильнішими в міру віддалення кварка від своїх початкових товаришів, стандартні обрахунки квантової теорії поля, слушні в разі не надто сильних взаємодій, ламаються. Тож наразі ця підтверджена експериментами картина не може бути повною мірою підтверджена розв’язними обчисленнями.

Чи виведемо ми коли-небудь математичні інструменти, необхідні для аналітичної демонстрації на основі неемпіричних обрахунків, що конфайнмент дійсно є математичною властивістю квантової хромодинаміки? Це питання на мільйон доларів, причому в буквальному сенсі слова. Математичний інститут Клея оголосив винагороду в мільйон доларів за строге математичне доведення того, що квантова хромодинаміка не допускає створення вільних кварків чи глюонів. Хоча досі претендентів на цю винагороду не було, є вагомі опосередковані свідчення на користь цієї ідеї не лише з боку експериментальних спостережень, а й з боку численних симуляцій, які близько апроксимують[11] складні взаємодії у квантовій хромодинаміці. Це якщо не переконує, то принаймні надихає. Усе одно необхідно підтвердити, що це властивість саме теорії, а не комп’ютерної симуляції. Утім, для фізиків це виглядає досить переконливо, хай навіть математики іншої думки.

Останній елемент безпосереднього доказу слушності КХД надійшов зі сфери, де можливо провести точні обрахунки. Вище я згадував, що, оскільки на малих відстанях кварки не повністю вільні, мають існувати обчислювані поправки на екзотичний феномен скейлінгу, який спостерігається у високоенергетичних зіткненнях електронів із протонами й нейтронами та вперше був зафіксований у СЦЛП. Ідеальний скейлінг вимагатиме абсолютно невзаємодійних частинок. Поправки, які можна обрахувати у квантовій хромодинаміці, можна буде спостерігати лише в значно чутливіших експериментах, аніж уперше проведені в СЦЛП. Для їх дослідження знадобилося розробити нові, більш високоенергетичні прискорювачі. Упродовж приблизно тридцяти років вдалося зібрати достатньо свідчень, щоб теоретичні передбачення зійшлися з результатами експериментів із точністю до 1 %, а квантову хромодинаміку як теорію сильної взаємодії вдалося все-таки точно й детально верифікувати.

2004 року Ґросс, Вільчек та Поліцер урешті-решт одержали Нобелівську премію за відкриття асимптотичної свободи. Експериментатори, які вперше відкрили скейлінг у СЦЛП, що стало ключовим спостереженням, яке спрямувало теоретиків у правильному напрямку, удостоїлися цієї нагороди значно раніше, 1990 року. А експериментатори, які 1974 року відкрили чарівний кварк, отримали Нобелівську премію вже через два роки, у 1976-му.

Проте, як казав Річард Фейнман, найвищою нагородою є не відзнака медаллю чи грошовою премією, і навіть не визнання з боку колег чи широкої публіки, а дізнання чогось по-справжньому нового про природу.

* * *

У цьому сенсі 1970-ті роки були, мабуть, найбагатшим десятиліттям в історії фізики ХХ століття, якщо не в усій історії фізики загалом. 1970 року ми повністю як квантову теорію розуміли лише одну силу природи, а саме квантову електродинаміку. До 1979 року ми розробили та експериментально перевірили, можливо, найвидатнішу теоретичну доктрину, створену людським розумом, – Стандартну модель фізики елементарних частинок, що описує рівно три з чотирьох відомих сил природи. Ця робота тривала впродовж усієї історії сучасної науки, від дослідження природи рухомих тіл Галілеєм, через відкриття Ньютоном законів руху, через експериментальні й теоретичні дослідження природи електромагнетизму, через Ейнштейнове об’єднання простору й часу, через відкриття ядра, квантової механіки, протонів, нейтронів та відкриття власне слабкої та сильної сил.

Проте найвизначнішою характеристикою цього довгого походу до світла є те, наскільки сильно відрізняється фундаментальна природа реальності від тіней реальності, з якими ми стикаємося щодня, зокрема в плані того, що фундаментальні величини, які позірно визначають наше з вами існування, насправді аж ніяк не фундаментальні.

Серцевину спостережуваної матерії становлять частинки, які ніхто ніколи безпосередньо не спостерігав і, якщо ми не помиляємося, ніхто ніколи безпосередньо не спостерігатиме, – кварки та глюони. Властивості сил, що визначають взаємодії цих частинок, а також частинок, які впродовж більш ніж століття формували основу сучасної експериментальної фізики, себто електронів, на фундаментальному рівні також повністю відрізняються від властивостей, які ми спостерігаємо безпосередньо й від яких залежить наше існування. Сильна взаємодія між протонами й нейтронами є всього-на-всього далекосяжною решткою базисної сили взаємодії між кварками, чиї фундаментальні властивості маскуються складними взаємодіями всередині ядра. Слабка взаємодія й електромагнітна взаємодія, які зовні відрізняються настільки, наскільки це взагалі можливо (перша близькодійна, а друга далекосяжна, і перша видається в тисячі разів слабшою за другу), насправді тісно пов’язані між собою та відображають різні грані єдиного цілого.

Це ціле приховане від нас через випадковість природи, яку ми називаємо спонтанним порушенням симетрії, яке розмежовує слабку та електромагнітну взаємодію у світі наших чуттів і приховує їхню справжню природу. Ба більше, властивості частинок, що породжують характеристики чудового світу, який ми спостерігаємо навколо нас, можливі лише тому, що після випадковості в разі спонтанного порушення симетрії в природі залишилася б тільки одна безмасова частинка – фотон. Якби порушення симетрії не сталося й базисні симетрії сил, які визначають поведінку матерії, не проявили себе, що, своєю чергою, означало б, що частинки, які переносять слабку силу, як і більшість частинок, з яких складаємося ми з вами, були б безмасовими, не сформувалося б, по суті, нічого з того, що ми нині бачимо у всесвіті: від галактик до зірок, планет, людей, пташок і бджіл, науковців і політиків.

Мало того, ми дізналися, що навіть ці частинки, з яких складаємося ми, це ще не все, що існує в природі. Спостережувані частинки об’єднуються в прості угруповання, або сімейства. Верхні й нижні кварки утворюють протони й нейтрони. Біля них перебувають електрон зі своїм напарником – електронним нейтрино. Також із досі незрозумілих нам причин існує важче сімейство, яке складається, з одного боку, з чарівного та дивного кварків, а з другого, – з мюона і його нейтрино. Нарешті, що підтверджено проведеними в останні два десятиліття експериментами, є третє сімейство, яке складається з двох нових типів кварків, красивого (b-) і правдивого (t-), та супутнього важкого різновиду електрона під назвою «тау-частинка» разом із його нейтрино.

Є всі підстави очікувати, що, як буде описано невдовзі, існують й інші елементарні частинки, окрім перерахованих, які ще ніхто ніколи не спостерігав. Тоді як ці частинки, котрі, як вважають, становлять загадкову темну матерію, на яку припадає левова частка маси нашої та всіх інших спостережуваних галактик, можуть бути невидимі для наших телескопів. Утім, наші спостереження й теорії свідчать про те, що за відсутності темної матерії галактики й зорі ніколи не сформувалися б.

А в центрі всіх сил, що визначають динамічну поведінку всього, що ми можемо спостерігати, лежить чудовий математичний каркас, який має назву «калібрувальна симетрія». Ця математична властивість притаманна всім відомим силам: сильній, слабкій, електромагнітній, і навіть гравітації, й у випадку перших трьох саме ця властивість гарантує, що відповідні теорії мають математичний сенс і що з обрахунків усіх величин, які можна порівняти з результатами експериментів, зникають огидні квантові нескінченності.

За винятком електромагнетизму, усі ці симетрії повністю сховані від людських очей. Калібрувальна симетрія сильної взаємодії прихована, оскільки фундаментальні частинки, які є проявом цієї симетрії, імовірно, приховуються конфайнментом. Калібрувальна симетрія слабкої сили не проявляє себе у світі, у якому ми живемо, через спонтанне порушення, унаслідок чого W– та Z-частинки стають надзвичайно масивними.

* * *

Тіні на стіні повсякдення – насправді лише тіні. У цьому сенсі найвидатніша з коли-небудь розказаних оповідей, яка триває й досі, повільно розгорталася впродовж уже більш ніж двох тисяч років відтоді, як Платон уперше уявив її собі у своїй аналогії печери.

Проте якою б видатною не була ця оповідь, два слони досі лишалися непоміченими. Два герої нашої оповіді донедавна могли означати, що її ключові аспекти є всього-на-всього казкою, вигаданою теоретиками з надто багатою уявою.

По-перше, уведені 1960 року для пояснення слабкої взаємодії W– та Z-частинки з масами, майже в сотню разів більшими за масу протонів та нейтронів, зоставалися лише теоретичними постулатами, попри переконливі опосередковані докази їх існування. Мало того, було передбачено, що весь простір пронизує невидиме поле, поле Хіггса, маскуючи справжню природу реальності та уможливлюючи наше існування, оскільки воно спонтанно порушує симетрію між слабкою та електромагнітною взаємодіями.

Уславлення оповіді, яка претендує на роз’яснення, як так сталося, що ми існуємо, але водночас постулює існування невидимого поля, що пронизує весь простір, підозріло нагадає не наукове, а релігійне уславлення. Аби по-справжньому гарантувати, що наші вірування відповідають фактам реальності, а не нашим бажанням стосовно реальності, аби наука залишалася гідною цього звання, ми мали відкрити поле Хіггса. Лише тоді ми змогли б точно визначити, чи може важливість рис нашого настільки дорогого нам світу не перевищувати важливості рис якогось довільного крижаного кристала на вікні. Або, якщо ближче до теми, бути не більшою за важливість надпровідникової природи дроту в лабораторії порівняно з нормальним опором дротів у моєму комп’ютері.

Обсяг експериментальної роботи для здійснення цього завдання не поступався в плані складності розробці власне цієї теорії. У багатьох аспектах ця робота жахала навіть більше, і для її виконання знадобилося витратити понад п’ятдесят років та використати найскладніший витвір технології, за який коли-небудь бралося людство.

Розділ 20

Надираючи вакуум

І коли вдарить тебе хто у праву щоку твою, підстав йому й другу.

Від Матвія 5:39

Завершивши 1970-ті роки, фізики-теоретики перебували на вершині світу, вони тріумфували й торжествували. Ураховуючи стрімкість прогресу, що привів до створення Стандартної моделі, які світи буде підкорено далі? Мрії про теорію всього, які тривалий час перебували в сплячці, почали поволі пробуджуватися знову, причому не лише в тьмяних закутках колективної підсвідомості теоретиків.

Утім, калібрувальні W– та Z-частинки так ніхто на ділі й не побачив, і завдання організувати їхнє безпосереднє спостереження було вельми страхітливим. Було точно передбачено, що їхні маси приблизно в дев’яносто разів більші за масу протона. Складність з отриманням цих частинок пов’язана з простою фізичною деталлю.

Фундаментальне рівняння теорії відносності Ейштейна E = mc^2 показує, що можна перетворити енергію на масу, розігнавши частинки до енергій, набагато більших за їхню масу спокою. Далі можна вдарити ними об мішень і подивитися, що буде.

Проблема в тому, що енергія, доступна для одержання нових частинок за рахунок вдаряння іншими швидко рухомими частинками в нерухомі мішені, надається тим, що називається енергією центру мас. Для тих, кого не злякати ще однією формулою, вона дорівнює кореню квадратному з подвоєного добутку енергії прискореної частинки на енергію маси спокою частинки-мішені. Уявіть, що ми розігнали якусь частинку до енергії, у сто разів більшої за енергію маси спокою протона (що становить приблизно один гігаелектронвольт, ГеВ). Тоді в результаті зіткнення з нерухомими протонами мішені доступна для створення нових частинок енергія центру мас становитиме тільки 14 ГеВ. Це лише трохи більше за енергію центра мас, доступну в найвисокоенергетичнішому прискорювачі елементарних частинок зразка 1972 року.

Щоб досягти енергії, необхідної для породження масивних частинок на кшталт W– чи Z-бозонів, мають зіткнутися два зустрічні пучки частинок. У цьому випадку сумарна енергія центру мас дорівнює просто подвоєній енергії кожного пучка. Якщо кожен із пучків частинок, що беруть участь у зіткненні, має енергію, у сто разів більшу за масу спокою протона, дістаємо 200 ГеВ енергії, яку можна перетворити на масу нових частинок.

Нащо ж тоді будувати прискорювачі з нерухомим мішенями, а не колайдери? Відповідь дуже проста. Якщо я стріляю кулею у ворота сараю, моє влучання куди-небудь більш-менш гарантоване. Але якщо я стріляю кулею в іншу кулю, що летить до мене, то, щоб гарантовано в неї влучити, я маю бути значно вправнішим стрільцем, ніж, мабуть, будь-хто з нині живих, і мати значно кращу зброю, аніж будь-яка наявна.

Саме такий виклик стояв перед експериментаторами 1976 року, коли вони поставилися до електрослабкої моделі достатньо серйозно, аби вирішити, що її перевірка варта часу, зусиль і грошей.

Проте ніхто не знав, як збудувати пристрій із достатньою кількістю енергії. Прискорення окремих пучків частинок чи античастинок до високих енергій було опрацьоване. Станом на 1976 рік ми вже вміли розганяти протони до 500 ГеВ, а електрони – до 50 ГеВ. На менших енергіях було здійснено успішні зіткнення електронів та їхніх античастинок, і саме так 1974 року було відкрито нову частинку, яка містила чарівні кварк і антикварк.

Протони, які від самого початку мають більшу масу, а отже, і більшу енергію спокою, легше розігнати до високих енергій. Саме 1976 року було здано в експлуатацію протонний прискорювач у Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) у Женеві, протонний суперсинхротрон (SPS) – традиційний прискорювач зі стаціонарною мішенню, здатний працювати з протонним пучком потужністю 400 ГеВ. Проте на момент увімкнення SPS інший прискорювач у Фермілабі, що неподалік від Чикаго, уже досяг рівня потужності протонного пучка в 500 ГеВ. У червні того ж року на конференції, присвяченій нейтрино, фізики Карло Руббіа, Пітер Макінтайр та Девід Клайн виступили із зухвалою ідеєю: якщо перебудувати SPS у ЦЕРН на машину, у якій протони зіштовхуватимуться з їхніми античастинками, антипротонами, ЦЕРН потенційно зможе виробляти W– та Z-частинки.

Їхня зухвала ідея полягала у використанні одного й того ж кругового тунелю для розгону протонів в один бік, а антипротонів – у другий. Оскільки ці дві частинки мають протилежні електричні заряди, той самий розгінний механізм діятиме на кожну з них відповідно. Тож один прискорювач у принципі міг утворити два високоенергетичні пучки, що рухатимуться по колу в протилежних напрямках.

Логічність цієї ідеї була очевидна, а от її реалізація – ні. Перш за все, враховуючи силу слабкої взаємодії, породження навіть кількох W– та Z-частинок вимагало зіткнення сотень мільярдів протонів та антипротонів. Проте досі ще нікому не вдавалося породити та накопичити стільки антипротонів, щоб утворився повноцінний прискорювальний пучок.

Далі можна було б подумати, що, коли два пучки літатимуть одним тунелем у протилежних напрямках, частинки зіштовхуватимуться по всьому тунелю, а не в детекторах, призначених для визначення продуктів зіткнень. Проте насправді все зовсім не так. Поперечний переріз навіть невеликого тунелю настільки велетенський порівняно з діаметром ділянки, у якій можуть зіткнутися протон з антипротоном, що проблема полягає зовсім в іншому. Здавалося неможливим створити достатню кількість антипротонів та забезпечити достатню їхню та протонів щільність у пучках, щоб, коли пучки, напрямлені потужними магнітами, зійдуться, відбулися взагалі хоч які-небудь зіткнення.

Переконати правління ЦЕРН перетворити один із найпотужніших прискорювачів світу, збудований у круговому тунелі завдовжки майже вісім кілометрів на франко-швейцарському кордоні, на новий тип колайдера, було б складно для більшості людей, проте Карлу Руббіа, пишномовній силі природи, це завдання було до снаги. Мало хто з тих, хто ставав у нього на шляху, потім про це не шкодував. Упродовж 18 років він щотижня мотався з ЦЕРН до Гарварду, де працював професором, і назад. Його кабінет містився двома поверхами нижче за мій, проте я знав, коли він на місці, оскільки його було чутно. Мало того, ідея Руббіа була гарною, і, просуваючи її, він насправді пропонував ЦЕРН підвищити SPS від статусу машини-«аутсайдера» до найзахопливішого прискорювача у світі. Шелдон Ґлешоу казав директорам ЦЕРН, заохочуючи їх до руху вперед: «Ви хочете ходити чи літати?»

Проте для польоту потрібні крила, і формування нових методів створення, збереження, прискорення й фокусування пучка антипротонів лягло на плечі блискучого фахівця з фізики прискорювачів із ЦЕРН Симона ван дер Мера. Його метод був настільки кмітливим, що, дізнавшись про нього, багато фізиків були певні, що він порушує якісь фундаментальні принципи термодинаміки. Властивості частинок у пучку мали вимірюватися в одному місці кругового тунелю, після чого магніти далі по тунелю одержували сигнал надати частинкам пучка, що пролітають повз них, багато розтягнутих у часі маленьких поштовхів, таким чином дещо змінюючи енергії та імпульси частинок, що збилися зі шляху, і врешті-решт фокусуючи їх у вузький пучок. Цей метод, що дістав назву стохастичного охолодження, гарантував, що частинки, які відхилилися від центру пучка, будуть спрямовані назад у його середину.

Спільними зусиллями ван дер Мер та Руббіа лупали цю скалу, і до 1981 року колайдер працював, як було задумано, а Руббіа згуртував найбільший спільний фізичний проект з усіх та збудував великий детектор, здатний просіяти мільярди зіткнень протонів і антипротонів у пошуках жменьки вірогідних W– та Z-частинок. Утім, команда Руббіа була не єдиною, хто полював на W та Z. У тому ж ЦЕРН був сформований іще один спільний проект із побудови детектора. Вважали, що надлишкові потужності для настільки важливого спостереження зайвими не будуть.

Відшукати в ході цих експериментів потрібний сигнал на настільки неосяжному фоні було нелегко. Згадаймо, що протони складаються більш ніж з одного кварка, і в процесі одного зіткнення протона з антипротоном може відбутися багато чого. Мало того, W– та Z-частинки мали спостерігати не безпосередньо, а через їхні розпади, у випадку W-частинок – на електрони й нейтрино. Нейтрино також не мали спостерігати безпосередньо. Натомість експериментатори мали скласти докупи сумарні енергії та імпульси всіх вихідних частинок у рамках подій-кандидатів та пошукати великі обсяги «зниклої енергії», що було б ознакою утворення нейтрино.

У грудні 1982 року Руббіа з колегами стали свідками потенційної W-події. Руббіа жадав опублікувати статтю на основі цієї єдиної події, проте його колеги були обережніші й мали на те всі підстави. За Руббіа, здається, тягнувся хвіст відкриттів, які на повірку не завжди виявлялися відкриттями. Тим часом він потайки поділився подробицями цієї події з кількома колегами з різних куточків світу.

Упродовж кількох наступних тижнів його колаборація UA1 зібрала докази ще п’яти потенційних W-подій, і фізики з команди UA1 розробили декілька значно строгіших тестів задля ствердження з високим ступенем упевненості, що ці потенційні події дійсно мали місце. 20 січня 1983 року Руббіа провів у ЦЕРН пам’ятний та майстерно обставлений семінар, на якому оголосив здобуті результати. Його зустріли стоячою овацією, яка засвідчила, що фізичну спільноту він переконав. Кілька днів по тому Руббіа подав до часопису «Physics Letters» статтю, у якій повідомлялося про виявлення шести W-подій. Віднайдена W-частинка мала точно передбачену масу.

Утім, на цьому пошуки не завершилися. Досі не було виявлено частинки Z. Її передбачена маса була трохи більшою за масу W-частинки, а тому зафіксувати її сигнал було важче. Зрештою, уже десь за місяць після оголошення про виявлення W-частинки в обох експериментах почали з’являтися ознаки Z-подій, і 27 травня того ж року на основі однієї чіткої такої події Руббіа оголосив про її відкриття.

Калібрувальні бозони електрослабкої моделі нарешті було знайдено. Важливість цих відкриттів для зміцнення емпіричних основ Стандартної моделі була підкреслена трохи більш ніж за рік після цього оголошення, коли Руббіа та його колега з галузі фізики прискорювачів ван дер Мер одержали Нобелівську премію з фізики. Хоча команди, які збудували й керували прискорювачем та детекторами, складалися з величезної кількості людей, майже всі сходилися на тому, що, якби не енергійність і наполегливість Руббіа та майстерні винаходи ван дер Мера, це відкриття не було б зроблене ніколи.

Залишився останній Святий Грааль – передбачена Хіггсом частинка. На відміну від W– та Z-бозонів, маса бозона Хіггса не зафіксована теорією. Було передбачено її зв’язування з матерією та калібрувальними бозонами, оскільки ці зв’язування надають можливість фоновому полю Хіггса, яке, можливо, існує в природі, порушувати калібрувальну симетрію й надавати масу не лише W– та Z-частинкам, а й електронам, мюонам та кваркам – узагалі всім фундаментальним частинкам Стандартної моделі, окрім нейтрино й фотона. Проте з використанням наявних на той час вимірювань не вдалося заздалегідь окремо визначити ані масу частинки Хіггса, ані силу її самовзаємодій. Теорія лише зафіксувала їх співвідношення в термінах виміряної сили слабкої взаємодії між відомими частинками.

З огляду на консервативні оцінки можливої величини сили самовзаємодії бозона Хіггса, його маса була консервативно оцінена як така, що лежить у діапазоні від 2 до 2000 ГеВ. Верхня межа зумовлена тим, що, якщо самозв’язність бозона Хіггса буде завелика, теорія перетворюється на сильно взаємодійну, і багато розрахунків, виконаних із використанням найпростішої картини бозона Хіггса, ламаються.

Таким чином, незважаючи на їхню невід’ємну роль у порушенні електрослабкої симетрії та наділенні інших елементарних частинок масами, ці кількісні параметри весь цей час залишалися, по суті, невизначеними експериментально. Імовірно, що саме це спонукало Шелдона Ґлешоу в 1980-х роках назвати бозон Хіггса «туалетом» сучасної фізики: усі були свідомі необхідності його існування, проте ніхто не хотів обговорювати на публіці подробиці.

Той факт, що Стандартна модель не зафіксувала заздалегідь багато деталей поля Хіггса, не завадив багатьом теоретикам пропонувати моделі, які «передбачали» масу частинки Хіггса на основі якихось нових теоретичних ідей. На початку 1980-х років, щоразу як зростали доступні прискорювачам енергії, з’являлися все нові й нові статті, що віщували відкриття бозона Хіггса, тільки-но ввімкнуть нову машину. Тоді досягали нового порога, проте нічого такого не спостерігали. Було очевидно, що для вивчення всього доступного простору параметрів у пошуках відповіді на запитання, чи існує бозон Хіггса, необхідно збудувати радикально новий прискорювач.

Весь цей час я був переконаний, що бозона Хіггса не існує. Звісно, спонтанне порушення електрослабкої калібрувальної симетрії мало місце, – W– та Z-частинки існують і мають масу, – проте додавання нового фундаментального скалярного поля, ретельно розробленого для виконання конкретно цього завдання, здавалося мені чимось надмірним. По-перше, у всьому звіринці частинок, що тільки існують у природі, ніколи не спостерігали жодного фундаментального скалярного поля. По-друге, я відчував, що з огляду на всю невідому досі фізику, яка чекає свого відкриття в малих масштабах, природа напевно вигадала значно більш вишуканий та несподіваний спосіб порушення калібрувальної симетрії. Щойно хтось постулює існування частинки Хіггса, одразу ж постає очевидне запитання «Чому так?», або, якщо конкретніше, «Чому саме така динаміка, щоб вона конденсувалася точно на цьому масштабі і з цією масою?». Я вважав, що природа знайде спосіб порушити теорію менш вузькоспеціалізованим способом, і, коли після здобуття докторського ступеня проходив співбесіду на дістану врешті-решт посаду в товаристві стипендіатів у Гарварді, висловив це своє переконання вельми впевнено.

Тепер пригадаймо, якими є наслідки існування бозона Хіггса. Він вимагає існування в природі не лише нової частинки, а й невидимого фонового поля, яке має існувати у всьому просторі. З цього також випливає, що всі частинки фундаментальної теорії – не лише W– та Z-частинки, а й електрони й кварки – безмасові. Взаємодіючи з фоновим полем Хіггса, ці частинки відчувають щось на зразок опору своєму руху, який гальмує їх переміщення до швидкості, меншої за швидкість світла, подібно до того, як плавець у патоці рухатиметься повільніше за плавця у воді. Рухаючись із досвітловою швидкістю, частинки поводяться так, наче вони масивні. Частинки, які сильніше взаємодіють із цим фоновим полем, відчуватимуть більший опір і поводитимуться так, наче вони масивніші, подібно до того, як автівку, що з’їхала з дороги в багнюку, буде важче штовхати, аніж якби вона стояла на асфальті, і з точки зору тих, хто її штовхає, вона здаватиметься важчою.

Це дивовижне твердження щодо природи реальності. Пам’ятаючи, що конденсат, який формується в надпровідниках, є складним станом зв’язаних пар електронів, я скептично ставився до ідеї, що на фундаментальних масштабах у порожньому просторі все працюватиме настільки просто й точно.

То як же перевірити таке дивовижне твердження? Скористаємося головною властивістю квантової теорії поля, яку використав сам Хіггс, висуваючи свою ідею. Для кожного нового поля в природі має існувати принаймні один новий тип елементарної частинки з таким полем. Як же в такому разі породити такі частинки, якщо таке фонове поле існує у всьому просторі?

Дуже просто. Ми надеремо вакуум.

Під цим я маю на увазі, що, якщо нам вдасться сфокусувати достатню кількість енергії в одній точці простору, ми можемо спонукнути з’явитися частинки Хіггса, які потім виміряємо. Цей процес можна уявити собі так. Мовою фізики елементарних частинок, вираженої за допомогою діаграм Фейнмана, можна уявити, як віртуальна частинка Хіггса виринає з фонового поля Хіггса, надаючи масу іншим частинкам. Ліва діаграма відповідає частинкам на кшталт кварків та електронів, що натикаються на віртуальну частинку Хіггса й змінюють траєкторію, відчуваючи таким чином опір своєму руху вперед. Права діаграма зображує аналогічний ефект для частинок на кшталт W та Z.

Далі можна просто розвернути цей рисунок:

У цьому випадку все виглядає так, наче енергійні частинки на кшталт W– та Z-бозонів, кварків та/або антикварків чи електронів та/або позитронів випускають віртуальні частинки Хіггса й відскакують назад. Якщо енергії частинок, що налітають, достатньо великі, випущена частинка Хіггса може бути реальною. Якщо ні, частинка Хіггса буде віртуальною.

Тепер згадаймо, що, якщо бозон Хіггса надає частинкам масу, тоді найбільшої маси набуватимуть частинки, з якими він взаємодіє найсильніше. Це, своєю чергою, означає, що найбільші шанси породити в результаті зіткнення бозон Хіггса мають частинки з найбільшими масами. Це означає, що легкі частинки на кшталт електронів навряд чи є гарним вибором для безпосереднього утворення частинок Хіггса в прискорювачі. Натомість можна уявити собі створення прискорювача з достатньою енергією для породження важких віртуальних частинок, які випускатимуть віртуальні чи реальні частинки Хіггса.

З огляду на це природними кандидатами є протони. Збудуймо прискорювач чи колайдер із протонами та розженімо їх до достатньо високих енергій для породження достатньої кількості важких віртуальних складових для породження частинок Хіггса. Оскільки частинки Хіггса, неважливо, віртуальні чи реальні, важкі, вони швидко розпадуться на легші частинки, з якими бозон Хіггса взаємодіє найсильніше, тобто знов-таки правдиві чи красиві кварки або W– та Z-частинки. Вони, своєю чергою, розпадуться на інші частинки.

Фокус у тому, щоб розглядати події з найменшою кількістю вихідних частинок, які можна чітко зафіксувати, далі точно визначати їхні енергії й імпульси та зрозуміти, чи можна реконструювати низку подій, яка простежується до єдиної масивної проміжної частинки, для якої характерні взаємодії, передбачені для частинки Хіггса. Не хухри-мухри!

Ці ідеї були зрозумілі ще 1977 року, ще навіть до відкриття власне правдивого кварка (оскільки красивий кварк уже було відкрито, а всі інші кварки ходять слабкими парами, – верхній із нижнім, чарівний із дивним, – було очевидно, що має існувати ще один кварк, який, щоправда, було відкрито лише 1995 року і який важив аж у 175 разів більше за протон). Проте знати, що потрібно, і дійсно збудувати машину, здатну виконати цю роботу, – то є дві великі різниці.

Розділ 21

Готичні собори ХХІ століття

…набуток премудрости ліпший за перли!

Йов 28:18

Станом як на 1978 рік (коли було підтверджено всі інші передбачення електрослабкої теорії), так і на 1983-й (коли було відкрито W– та Z-частинки) прискорення протонів до достатньо високих енергій для вивчення повного спектра всіх можливих мас бозона Хіггса набагато перевищувало можливості будь-якої з наявних машин. Для цього був потрібен прискорювач, принаймні на порядок потужніший за найпотужнішу з наявних машин. Іншими словами, не колайдер, а суперколайдер.

Сполучені Штати, які домінували в науці та техніці впродовж усього періоду після закінчення Другої світової війни, мали вагомі причини бажати збудувати таку машину. Зрештою, до 1984 року женевський ЦЕРН постав як панівна лабораторія в галузі фізики елементарних частинок у світі. Коли в ЦЕРН було відкрито і W-, і Z-частинку, американська гордість зазнала такого удару, що через шість днів після прес-конференції, на якій було оголошено про відкриття Z-частинки, газета «New York Times» надрукувала редакційну статтю під назвою «Європа – 3, США – навіть не нуль»!

Уже за тиждень після відкриття Z-бозона американські фізики вирішили скасувати спорудження прискорювача проміжної потужності на Лонг-Айленді та піти ва-банк. Вони вирішили збудувати велетенський прискорювач з енергією центру мас, майже в сотню разів більшою, аніж у SPS, що в ЦЕРН. Для цього їм були потрібні новітні надпровідні магніти, тож їхнє дитя дістало назву Надпровідного суперколайдера (SSC).

Після того, як 1983 року американська спільнота фізиків елементарних частинок виступила з пропозицією цього проекту, почалася традиційна мишача метушня різних штатів за урвання шматка велетенського фіскального пирога за його побудову та утримання. Після тривалих політичних і наукових перетягувань каната було обрано місце на південних околицях Далласу, штат Техас, у містечку Ваксахачі. Якими б не були мотиви цього рішення, Техас видавався напрочуд підходящим місцем, адже все, що стосувалося цього проекту, який 1987 року схвалив президент Рейган, було надвеликим.

Велетенський підземний тунель завдовжки 87 кілометрів мав стати найбільшим із будь-коли збудованих тунелів. Проект мав стати удвадцятеро більшим за будь-який інший фізичний проект, за який коли-небудь бралося людство. Запропонована енергія зіткнення пучків, кожен із яких повинен був мати енергію, у двадцять тисяч разів більшу за масу протона, мала б у сотню разів перевищувати енергію зіткнення, досягнуту машиною в ЦЕРН, у якій було відкрито W– та Z-частинки. Для цього були потрібні десять тисяч безпрецедентно потужних надпровідних магнітів.

Перевищення витрат, брак міжнародної кооперації, проблеми з економікою США та політичні махінації врешті-решт призвели до закриття проекту SSC у жовтні 1993 року. Я дуже добре пам’ятаю ті часи. Я тільки-но переїхав із Єлю до Західного резервного університету Кейса, де дістав посаду очільника фізичного факультету й мандат на його перебудову та найм упродовж п’яти років двадцятьох нових членів професорсько-викладацького складу. За перший рік після нашого оголошення про відкриття вакансій, у 1993–1994, ми отримали більше двохсот резюме від провідних науковців, які працювали над SSC, а тепер лишилися без роботи й будь-яких перспектив. Багато з них були дуже просунутими, з досвідом роботи на професорських посадах поважних університетів, які вони полишили задля роботи на вістрі прогресу. Це було дуже сумно, і більше половини з тих людей були змушені взагалі піти з цієї галузі.

Очікувана вартість проекту на момент його закриття 1993 року виросла з початкових 4,4 мільярда доларів, закладених у бюджет 1987 року, до 12 мільярдів. Хоча це були, та й зараз є величезні гроші, доцільність зупинки цього проекту викликає сумніви. На нього вже було витрачено 2 мільярди доларів, і було завершено будівництво двадцяти чотирьох кілометрів тунелю.

Рішення зупинити проект не було чорно-білим, проте, ухвалюючи його, слід було б звернути більшу увагу на кілька речей: від збитків, пов’язаних із втратою значної частки вихованих країною талановитих фахівців із фізики прискорювачів та експериментаторів у галузі фізики елементарних частинок до перекреслення багатьох нових проривів, які могли стати плодами витрат на розвиток високих технологій і принести користь нашій економіці. Мало того, якби SSC було збудовано та запущено в експлуатацію згідно з планами, ми вже десятиліття тому могли мати відповіді на експериментальні запитання, що стоять перед нами й досі. Чи вплинуло б наше знання цих відповідей на наші дії впродовж цього часу? Гадаю, що ми так цього й не дізнаємося.

Ці 12 мільярдів доларів були б витрачені за період у 10–15 років, упродовж спорудження комплексу та процедури його введення в експлуатацію, а отже, його вартість становила б десь близько мільярда на рік. За мірками федерального бюджету це невелика сума. Мої політичні погляди широко відомі, тож я нікого не здивую, якщо висловлю припущення, що, скажімо, США не стали б менш захищеними, якби урізали на цю суму свій роздутий щорічний оборонний бюджет, який від цього зменшився б менш ніж на відсоток. Ба більше, усі витрати на SSC, гадаю, були б порівнювані з витратами на кондиціювання повітря та транспортування вантажів у рамках нашого катастрофічного вторгнення в Ірак 2003 року, від якого постраждали наша загальна захищеність та загальний добробут. Тут я просто не можу ще раз не звернутися до свідчення перед Конгресом Роберта Вільсона щодо прискорювача у Фермілабі: «/Це нове знання/  ніяк безпосередньо не стосується захисту нашої країни, хіба що сприяє тому, що вона є гідною захисту».

Утім, це вже політичні, а не наукові питання, а за демократичного устрою Конгрес, який представляє народ, має право й несе відповідальність за визначення пріоритетності видатків на ті чи інші великі державні проекти. Спільнота фізиків елементарних частинок, можливо, просто занадто призвичаїлася до стабільного потоку грошей упродовж Холодної війни й не доклала необхідних зусиль для інформування громадськості й Конгресу щодо змісту та цілей цього проекту. Немає нічого дивного в тому, що в скрутні для економіки часи першою чергою урізають фінансування речей, що видаються занадто езотеричними. У той час я дивувався, чому було необхідно саме закрити проект замість призупинки його фінансування до покращення економічної ситуації чи розвитку технологій, які могли б зменшити його вартість. Ані тунель (який нині поступово заповнюється водою), ані будівлі лабораторій (нині зайняті хімічною компанією) нікуди б не поділися.

Попри такий розвиток подій у США, ЦЕРН рухався далі зі своєю новою машиною – Великим електронно-позитронним колайдером (LEP), розробленим задля детального вивчення фізичних властивостей W– та Z-частинок. Свіжоспечений Нобелівський лауреат, невгамовний Карло Руббіа, усіляко спонукав цей проект, і 1989 року, коли нову машину було запущено, став директором лабораторії.

27-кілометровий тунель викопали на глибині приблизно 100 метрів навколо старого SPS, який тепер використовують для випускання електронів і позитронів у більше кільце, де вони далі розганяються до величезних енергій. Ця машина, розташована на околицях Женеви, була настільки велика, що перетинала під горами Юра французький кордон. Європейці краще знаються на тунелях, аніж американці, тож, коли тунель було завершено, його кінці зійшлися з точністю до одного сантиметра. Мало того, ЦЕРН як міжнародний спільний проект багатьох країн не вплинув суттєво на ВВП жодної з них.

Нова машина успішно працювала понад десятиліття, а після колапсу американського проекту SSC велетенський тунель LEP стали розглядати як кандидата на створення його зменшеної версії – далеко не настільки потужної, проте достатньо високоенергетичної для дослідження більшої частини простору параметрів, у якому могла існувати частинка Хіггса, про яку так довго казали фізики. Певну конкуренцію склала збудована у Фермілабі машина під назвою «Теватрон», яку експлуатували з 1976 року, а 1984 року вона вийшла на рівень потужності, який зробив її найвисокоенергетичнішою протонно-антипротонною машиною у світі. Станом на 1986 рік енергія зіткнення протонів і антипротонів, що кружляли 6,5-кілометровим кільцем із надпровідних магнітів у Фермілабі, досягла позначки майже у дві тисячі еквівалентів енергії маси спокою протона.

Проте якою б значною ця величина не була, її було замало для дослідження більшої частини доступного частинці Хіггса діапазону параметрів, і для її відкриття в «Теватроні» природа мала б явити милість. Утім, на рахунку «Теватрона» усе-таки був один видатний успіх – довгоочікуване відкриття 1995 року велетенського правдивого кварка, який у 175 разів важчий за протон і наразі залишається наймасивнішою з виявлених у природі елементарних частинок.

За відсутності, таким чином, видимої конкуренції впродовж чотирнадцяти місяців після закриття SSC рада ЦЕРН схвалила будівництво в тунелі LEP нової машини – Великого адронного колайдера (LHC). Проектування й розробка нової машини та її детекторів потребувала певного часу, тож LEP продовжував працювати у своєму тунелі ще майже шість років, а тоді мав закритися на реконструкцію. Після цього на завершення спорудження нової машини та детекторів частинок, які повинні були використовувати для пошуку бозона Хіггса та/або іншої нової фізики, мало піти ще майже десять років.

Це, звісно, за умови, якщо працездатну машину та надійні детектори взагалі можна було збудувати. Це було найскладніше інженерне завдання, до якого коли-небудь приступали люди. Проектні специфікації надпровідних магнітів, обчислювальних центрів та інших аспектів машини й детекторів вимагали технологій, значно досконаліших за будь-які з наявних на той час.

На концептуальне проектування машини пішов цілий рік, а ще за рік було схвалено два спільні проекти головних експериментальних детекторів. США, чиї коні в цьому забігу участі не брали, були допущені до ЦЕРН як країна-«спостерігач», що дало змогу американським фізикам відіграти ключову роль у проектуванні й розробці детекторів. 1998 року спорудження каверни, у якій мав розташовуватися один із головних детекторів, CMS, було затримано на шість місяців, оскільки робітники виявили на будмайданчику галло-романські руїни IV століття нашої ери з віллою та навколишніми полями.

Велетенські каверни, у яких під землею розташовуватимуться обидва головні детектори, були закінчені через чотири з половиною роки. Упродовж наступних двох років під землю в спеціальну шахту опустили 1232 велетенські магніти, кожен завдовжки п’ятнадцять метрів і вагою 35 тонн, які потім доставляли на місця призначення за допомогою спеціально розробленого транспортного засобу, здатного переміщатися тунелем. Ще за рік свої місця зайняли останні деталі двох великих детекторів, і о 10:28 ранку 10 вересня 2008 року машину було вперше офіційно увімкнено.

Через два тижні сталося лихо. В одному зі з’єднань одного з магнітів сталося замикання, унаслідок чого цей надпровідниковий магніт повернувся до нормального стану, вивільнивши велетенську кількість енергії, що спричинило механічні пошкодження та частковий витік рідкого гелію, який використовували для охолодження машини. Пошкодження були настільки значними, що знадобилися перепроектування та перевірка кожного зварного шва та з’єднання LHC, на що пішло більше року. У листопаді 2009-го LHC нарешті ввімкнули знову, проте з міркувань безпеки його потужність встановили на рівні семи тисяч енергій центра мас протона замість чотирнадцяти тисяч. 19 березня 2010 року машина нарешті запрацювала із зустрічними пучками цієї меншої енергії, і за два тижні обидва набори детекторів почали фіксувати зіткнення з відповідною сумарною енергією.

Ця проста хронологія приховує неймовірні труднощі, пов’язані з технологічними звитягами, досягнутими в ЦЕРН упродовж п’ятнадцяти років відтоді, як було запропоновано ідею цієї машини. Якщо приземлитися в аеропорту Женеви й озирнутися навколо, побачите тиху сільську місцевість і далекі гори. Без підказки ніхто нізащо не здогадається, що під цією сільською місцевістю розташована найскладніша машина з усіх коли-небудь збудованих людством. Ось кілька характеристик цієї машини, яка перебуває під цим тихим пасторальним краєвидом на глибині, яка подеколи сягає 175 метрів:

1. У тунелі завширшки 3,8 метра на 27 кілометрів розтягнулися два паралельні кругові пучкові канали, що перетинаються в чотирьох точках кола. Уздовж кільця розставлено понад 1600 надпровідних магнітів, більшість із яких важить понад 27 тонн. Тунель настільки довгий, що, дивлячись уздовж нього, практично неможливо побачити його кривизну:

2. 96 тонн надтекучої рідини 4He використовують для того, щоб тримати температуру магнітів на рівні менш ніж двох градусів вище від абсолютного нуля, що холодніше за температуру фонової радіації в глибинах міжзоряного простору. Загалом використовують 120 тонн рідкого гелію, які спершу охолоджують десятьма тисячами тонн рідкого азоту. Довелося зробити приблизно сорок тисяч герметичних трубних з’єднань. Об’єм використовуваного гелію робить LHC найбільшою кріогенною установкою у світі.

3. Вакуум у пучкових каналах має бути розрідженіший за вакуум у відкритому космосі, у якому опиняються астронавти під час виходів із МКС, а його тиск – удесятеро нижчий за атмосферний тиск на Місяці. Найбільший об’єм LHC, у якому досягнуто такого рівня вакууму, налічує дев’ять тисяч кубометрів, що порівнянне з внутрішнім об’ємом великого собору.

4. Протони, що розганяються тунелем в обох напрямках, рухаються зі швидкістю 0,999999991с, себто лише на три метри за секунду повільніше за швидкість світла. Енергія, яку несе кожен із протонів, що беруть участь у зіткненнях, еквівалентна енергії летючого москіта, проте вона стиснута в радіусі, у мільйон мільйонів разів меншому за довжину тіла москіта.

5. Кожен пучок протонів розбивається по всій довжині кільця на 2808 окремих згустків, у кожному з яких налічується 115 мільярдів протонів і які в точках зіткнень стискаються до приблизно чверті ширини людської волосини, за рахунок чого маємо зіткнення пучків раз на одну двадцятип’ятимільярдну частку секунди та більш ніж 600 мільйонів зіткнень частинок щосекунди.

6. Обчислювальний ґрід, розроблений для обробки даних із LHC, є найбільшим у світі. Об’єм сирих даних, що генерується LHC щосекунди, достатній, щоб заповнити понад тисячу терабайтних жорстких дисків. Перед аналізом цей об’єм треба суттєво зменшити. За результатами 6 мільйонів мільярдів протонно-протонних зіткнень, проаналізованих упродовж лише 2012 року, було оброблено понад двадцять п’ять тисяч терабайтів даних – це більше, ніж кількість інформації у всіх коли-небудь написаних книгах, і для її зберігання знадобився б стос компакт-дисків заввишки майже двадцять кілометрів. Для цього було створено всесвітній обчислювальний ґрід, який охоплює 170 комп’ютерних центрів у 36 країнах. Коли машина працює, щосекунди генерується приблизно сімсот мегабайтів даних.

7. Вимоги до 1600 магнітів щодо створення достатньо інтенсивних для зіткнень пучків еквівалентні вимогам вистрілити назустріч одна одній двома голками з відстані десяти кілометрів із такою точністю, щоб вони зіткнулися точно посередині між позиціями стрільців.

8. Пучки зорієнтовано настільки точно, що необхідно брати до уваги припливні коливання кільця, спричинені гравітацією Місяця в процесі його переміщення над Женевою, унаслідок чого довжина тонелю LHC щодня змінюється на один міліметр.

9. Неймовірно інтенсивні магнітні поля, необхідні для керування протонними пучками, створюють шляхом пропускання через кожен із надпровідних магнітів струму потужністю майже 12 тисяч амперів, що приблизно у 120 разів перевищує струм, що протікає через пересічний сімейний будинок.

10. На створення магнітних котушок LHC пішло 270 тисяч кілометрів жил кабелів, що майже в шість разів перевищує довжину земного екватора. Якщо розгорнути й скласти докупи всі волокна в цих жилах, вони простягнуться від Землі до Сонця й назад більш ніж п’ять разів.

11. Сумарна енергія кожного пучка приблизно така сама, як у 400-тонного поїзда, що рухається зі швидкістю 150 км/год. Цієї енергії достатньо для розтоплення 500 кг міді. У надпровідних магнітах міститься в 30 разів більше енергії.

12. Навіть із використанням надпровідникових магнітів, які роблять рівень енергоспоживання машини прийнятним, під час роботи вона споживає приблизно таку ж кількість енергії, скільки всі домогосподарства Женеви разом узяті.

Це щодо самої машини. Для аналізу зіткнень у LHC було збудовано розмаїття великих детекторів. Кожен із чотирьох нині наявних детекторів не поступається розміром солідній офісній будівлі, а складністю – великій лабораторії. Коли отримуєш нагоду спуститися під землю та побачити ці детектори, починаєш почуватися Гуллівером у країні велетнів. Розміри абсолютно всіх компонентів вражають. Ось фото детектора CMS, меншого з двох найбільших детекторів LHC:

Якщо стояти біля самого детектора, складно навіть поглядом охопити всю картину, як видно на цьому, ближчому плані:

Складність машин майже не піддається розумінню. Теоретику на кшталт вашого покірного слуги важко уявити, яким чином якась певна група фізиків може просто тримати такий пристрій під наглядом, не кажучи вже про його розробку та побудову згідно з вкрай строгими специфікаціями.

Кожен із двох найбільших детекторів, ATLAS та CMS, був збудований спільними зусиллями понад двох тисяч науковців. Загалом у спорудженні машини та її детекторів брали участь більш ніж десять тисяч науковців та інженерів із понад сотні країн. Візьмемо менший із двох детекторів, CMS. Він сягає понад двадцять метрів завдовжки, п’ятнадцять метрів заввишки та п’ятнадцять метрів завширшки. На виготовлення детектора пішло 12 500 тонн заліза – більше, ніж на Ейфелеву вежу. Коли детектор проходить огляд, його половини розходяться на кілька метрів. Попри те, що в них немає коліс, коли ввімкнути потужне магнітне поле детектора в разі розведення половин, то їх притягне одна до одної.

Кожний детектор складається з мільйонів деталей: датчиків, здатних вимірювати траєкторії частинок із точністю до десятимільйонних часток метра; калориметрів, що з високою точністю фіксують накопичену в детекторах енергію; та приладів для вимірювання швидкості частинок шляхом вимірювання випущеного ними у випадку проходження крізь детектор випромінювання. У ході кожного зіткнення можуть породжуватися сотні або й тисячі окремих частинок, і для реконструкції кожної такої події детектор повинен відстежувати майже всі породжені частинки.

Четвертим генеральним директором ЦЕРН у 1961–1966 роках був фізик Віктор Вайскопф, який порівнював тогочасні велетенські прискорювачі з готичними соборами середньовічної Європи. Це порівняння є напрочуд цікавим у випадку ЦЕРН та LHC.

Готичні собори були вершиною тогочасних технологій, вимагаючи створення нових методів будівництва та нових інструментів. Сотні й навіть тисячі вправних майстрів із десятків країн будували їх впродовж багатьох десятиліть. На їхньому тлі всі інші збудовані досі споруди здавалися карликовими. І будували їх із дуже «практичною» метою звеличення слави Божої.

LHC – найскладніша з усіх коли-небудь збудованих машин, і вона вимагала створення нових методів будівництва та нових інструментів. Побудова прискорювача та детекторів для моніторингу його роботи вимагала спільних зусиль тисяч науковців та інженерів із докторськими ступенями, які були уродженцями сотень країн, розмовляли кількома десятками мов та походили з культур, що сповідували щонайменше стільки ж релігій – і їм знадобилося майже два десятиліття, щоб завершити цю роботу. На тлі його масштабів усі інші збудовані досі машини здаються карликовими. І зводили його з дуже «практичною» метою – звеличення й дослідження краси природи.

З цієї точки зору і собори, і колайдер є пам’ятниками найкращій рисі людської цивілізації – здатності та волі до вигадування й спорудження об’єктів такого масштабу та складності, які вимагають співпраці незліченної кількості людей, якщо потрібно, з усіх куточків світу заради перетворення нашого благоговіння та захоплення устроєм космосу на щось конкретне, здатне покращити умови людського існування. Колайдери й собори є витворами порівняної величі, що звеличують людський досвід у різних сферах. Утім, на мою думку, LHC виграє, і його успішне спорудження впродовж двох десятиліть яскраво демонструє, що ХХІ століття поки що не позбавлене культури та уяви.

Це нарешті виводить мене на стежку, яка веде до 4 липня 2012 року.

Станом на 2011 рік, за висловом одного з посадовців ЦЕРН, LHC розвинув крейсерську швидкість. Обсяг даних, зібраних станом на жовтень того року, уже в чотири мільйони разів перевищував обсяг, зібраний упродовж першого запуску у 2010 році, та в тридцять разів – обсяг, накопичений на початок 2011 року.

На цьому етапі збору даних, на які фізики чекали сорок років, спільнотою почали поширюватися різні чутки. Джерелами багатьох із них були самі ж експериментатори. Я працюю на півставки в Австралійському національному університеті в Канберрі, і в липні 2012 року в Мельбурні мала проходити Міжнародна конференція з фізики високих енергій. Мельбурнська LHC-спільнота вельми велика, тож під час відвідин цього міста я постійно чув, що в ході експериментів викреслюється все більша й більша частина діапазону можливих мас бозона Хіггса.

Багатьом експериментаторам гріє душу можливість довести, що теоретики помилися. Так було й цього разу. Менш ніж за шість місяців до конференції одна експериментаторка захоплено розповідала мені, що вони відкинули майже весь можливий діапазон маси бозона Хіггса за винятком вузенького сегмента між 120 і 130 масами протона. Вона сподівалася, що до липня їм вдасться відкинути й цей сегмент теж. Оскільки я був одним із тих, хто скептично ставився до ідеї Хіггса, почув це не без задоволення. Але хай там як, я активно готував статтю, у якій пояснював, чому частинка Хіггса не може існувати.

П’ятого квітня ситуація стала ще цікавішою, оскільки енергія центра мас пучка LHC трохи зросла, досягши позначки у 8 тисяч енергій спокою протона. Це означало збільшення потенціалу для відкриття нової частинки. У середині червня було оголошено, що очільники двох головних експериментів разом із генеральним директором ЦЕРН не приїдуть до Мельбурна на конференцію, а натомість оголошуватимуть результати вранці 4 липня дистанційно в рамках телеконференції, влаштованої в головній конференц-залі ЦЕРН – тій самій, де Руббіа оголосив про відкриття W-частинок.

Четвертого липня я був на зустрічі фізиків в Аспені, штат Колорадо. З огляду на важливість прийдешнього оголошення, тамтешня фізична спільнота облаштувала екран для прямої телевізійної трансляції, аби о 1-й годині ночі ми всі змогли сісти та спостергіати, як твориться історія. У темній кімнаті в Аспенівському фізичному центрі нас зібралося п’ятнадцятеро – переважно фізики, проте було й кілька журналістів, серед них Денніс Овербай із «New York Times», свідомий того, що йому доведеться писати до глупої ночі. Мені, як виявилося, теж. «Times» попросили мене написати есе для наступного випуску розділу «Science Times» у разі, якщо все пройде, як очікували.

А тоді почалося шоу, і впродовж наступних 45 чи десь так хвилин доповідачі презентували дані з обох великих детекторів, які переконливо засвідчували існування нової елементарної частинки з масою приблизно 125 мас протона. Після стартової катастрофи 2009 року LHC, і зокрема обидва його детектори, працював неомильно. Упродовж перших місяців його роботи мене й багатьох моїх колег вразила бездоганна чіткість результатів, показаних детекторами щодо відомих фонових процесів. Тож нас зовсім не здивувало, що з появою чогось нового детектори виявляли його, навіть попри неймовірно складне середовище, у якому їм доводилося працювати.

Мало того, шукану частинку було виявлено саме в тих каналах розпаду, які були передбачені для бозона Хіггса Стандартної моделі. Відношення розпадів на фотони (через проміжні правдиві кварки чи W-бозони) до розпадів на частинки на кшталт електронів (через проміжні Z-бозони) більш-менш відповідало передбаченням, як і обсяги породження нових частинок у протонно-протонних зіткненнях. Серед проаналізованих на той момент двома детекторними командами мільярдів і мільярдів зіткнень було виявлено близько п’ятдесяти кандидатів на утворення бозона Хіггса. Для більш певної ідентифікації було необхідно провести ще багато перевірок, проте якщо воно ходило, як бозон Хіггса, і крякало, як бозон Хіггса, це, імовірно, був бозон Хіггса. Докази були достатньо переконливі, щоб у жовтні 2013 року, у перший же рік після проголошеного відкриття, Франсуа Анґлеру й Пітеру Хіггсу було присуджено Нобелівську премію.

У лютому 2013 року LHC вимкнули й модифікували так, щоб він нарешті міг працювати з передбаченою проектом енергією та світлосилою. В останні тижні перед вимкненням системи збереження даних великої ємності ЦЕРН накопичили понад сто петабайтів даних – це більше інформації, ніж можуть умістити 100 мільйонів компакт-дисків. На основі даних, які ще не були проаналізовані на момент першого оголошення, надходили все нові й нові результати (зокрема вкрай інтрижні натяки на можливе існування нової та неочікуваної важкої частинки, ушестеро важчої за бозон Хіггса, – натяки, які розвіялися перед самим відправленням цієї книги в тираж).

У випадку справжнього відкриття чим більше у вас даних, тим краща картина, тоді як аномальні результати схильні з плином часу зникати. Цього разу картина була дуже гарна, майже занадто гарна. Якщо порівняти п’ять різних передбачених каналів розпаду на фотони, Z-частинки, W-частинки, тау-частинки (найважчий відомий побратим електрона) та частинки, що містять чудові кварки, з результатами спостережень, то виявиться, що передбачення бозона Хіггса згідно зі Стандартною моделлю без додаткових складових виявилися разюче точними.

Виходячи з кутового розподілу та енергій продуктів розпаду й на основі нової більшої вибірки подій-кандидатів на утворення бозона Хіггса, детектори LHC дістали змогу дослідити, чи була виявлена частинка скалярною, що зробило б її першим коли-небудь виявленим у природі фундаментальним скаляром. 26 березня 2015 року детектор ATLAS у ЦЕРН видав результати, які з більш ніж 99-відсотковою упевненістю свідчили, що нова частинка була частинкою з нульовим спіном і точно таким значенням парності, яке відповідало скаляру Хіггса. Природа довела, що, усупереч, зокрема, моїм переконанням, вона не цурається скалярних полів на кшталт поля Хіггса. Існування такого фундаментального скаляра багато що змінює в плані того, що взагалі можливе в природі, і люди, зокрема я, почали розглядати сценарії, які доти нізащо не спали б нам на думку.

У вересні 2015 року, приблизно за місяць до закінчення першого чорнового рукопису цієї книги, два великі детектори ATLAS та CMS об’єднали свої дані за 2011 і 2012 роки та вперше презентували уніфіковане порівняння теорії з експериментом. Результат, що вимагав титанічних обчислювальних зусиль для врахування в кожному експерименті окремих систематичних впливів, які сумарно описувалися чотирмастами двадцятьма параметрами, засвідчив із залишковою невизначеністю близько 10 %, що нова частинка мала всі властивості, передбачені для бозона Хіггса в рамках Стандартної моделі.

Цей простий висновок може здатися нудним на тлі всього, що йому передувало, а це півстоліття цілеспрямованих зусиль тисяч людей: теоретиків, які розробили Стандартну модель, та всіх інших, хто виконував неймовірно складні розрахунки, необхідні для порівняння передбачень із даними експериментів, визначення фонових величин тощо, а також тисяч фізиків-експериментаторів, які збудували, відтестували та керували найскладнішою з будь-коли збудованих машин. Їхня оповідь супроводжувалася досягненням неймовірних висот інтелектуальної мужності, роками збентеження, невезінням та проникливістю, суперництвом та пристрастю, а понад усе – наполегливістю спільноти, зосередженої на єдиній меті: зрозуміти природу в її найфундаментальніших масштабах. Як усіляка людська драма, вона містила свою частку заздрощів, упертості та марнославства, проте, що найважливіше, у ній брала участь унікальна спільнота, що склалася абсолютно незалежно від етнічної належності, мови, релігії чи статі. Це оповідь, що несе в собі драматизм найкращих епосів та є відображенням усього найкращого, що тільки здатна запропонувати сучасній цивілізації наука.

Мене не перестане вражати той факт, що природа виявилася настільки милостивою, щоб насправді послуговуватися ідеями, які записала на папері невеличка група людей, котрі черпали натхнення з абстрактних ідей симетрії та послуговувалися математикою квантової теорії поля. Украй важко висловити ту суміш захоплення та жаху, яка супроводжує усвідомлення, що природа, не виключено, працює саме так, як ти припускаєш, вносячи останні штрихи до своєї статті, імовірно, глупої ночі сам-один у своєму кабінеті. Гадаю, це може бути схожим на описану Платоном реакцію його нещасних філософів, коли їх уперше витягають на сонце з їхньої печери.

Відкриття того факту, що природа насправді дотримується простих та вишуканих правил, які інтуїтивно осягнули новітні Платонові філософи ХХ та ХХІ століть, одночасно шокує й заспокоює. Воно натякає на те, що готовність науковців будувати інтелектуальний картковий будиночок, який може зруйнувати найменший експериментальний струс, не була помилкою. Воно надає нам мужність продовжувати вважати, як одного разу захоплено висловився з цього приводу Ейнштейн, що всесвіт на своєму найграндіознішому масштабі все-таки піддається пізнанню.

Четвертого липня 2012 року, ставши свідком оголошення про відкриття бозона Хіггса, я написав таке: «Можливо, безсумнівно підтверджене відкриття бозона Хіггса не приведе до появи кращого тостера чи швидшої автівки. Проте воно є видатним уславленням здатності людського розуму розкривати таємниці природи та технології, а також керувати й контролювати їх.

У тому, що на перший погляд здається порожнечею, просто-таки нічим, яке стає дедалі цікавішим, ховаються саме ті елементи, завдяки яким існуємо ми з вами.

Яскраво продемонструвавши це, зроблене минулого тижня відкриття змінить наші погляди на самих себе та наше місце у всесвіті. Це, безсумнівно, є фірмовою ознакою видатної музики, видатної літератури, видатного образотворчого мистецтва… та видатної науки».

Наразі зарано судити чи навіть повною мірою оцінювати, що` зміниться в нашій картині реальності внаслідок відкриття в LHC бозона Хіггса чи якихось можливих подальших відкриттів. Проте фортуна всміхається-таки підготовленому розуму, і роздуми про це є одночасно обов’язком та радістю для теоретиків на кшталт вашого покірного слуги.

Хоча може здатися, що цього разу природа проявила до нас свою милість, вона, можливо, виявилася аж надто доброю. Викладена тут епічна сага ще здатна кинути фізиці й фізикам новий ефектний виклик, неприховано нагадавши, що природа існує не для того, щоб нам було комфортно. Адже в той час, як ми, схоже, знайшли те, що очікували, насправді ніхто не очікував знайти лише це й більше нічого…

Розділ 22

Запитань більше, ніж відповідей

Нерозумний не хоче навчатися, а тільки свій ум показати.

Приповісті 18:2

У певному сенсі нашу оповідь можна було б на цьому закінчити, оскільки ми досягли межі нашого безпосереднього емпіричного знання про всесвіт у його фундаментальних масштабах. Але ніхто не каже, що нам слід перестати мріяти, навіть якщо наші мрії не завжди приємні. До липня 2012 року фізиків елементарних частинок мучили два нічні кошмари. Перший – що LHC не виявить зовсім нічого. Якби так сталося, він напевне став би останнім великим прискорювачем, збудованим задля дослідження фундаментальної будови космосу. Другий кошмар полягав у тому, що LHC виявить бозон Хіггса… і все.

Щоразу, як знімається один шар реальності, на горизонті починають майоріти наступні. Тож загалом кожне важливе нове досягнення науки ставить більше запитань, аніж дає відповідей. Проте воно також зазвичай дає нам принаймні нариси плану подальших дій, які можуть підказати, як почати пошук відповідей на ці запитання. Відкриття бозона Хіггса, а заодно й підтвердження існування в просторі невидимого фонового поля Хіггса стали ґрунтовним підтвердженням зухвалих наукових досягнень ХХ століття.

Проте досі не втратили актуальності слова Шелдона Ґлешоу: бозон Хіггса подібний до туалету. Він приховує всі неприємні подробиці, про які краще не згадувати. Поле Хіггса при всій своїй вишуканості в рамках Стандартної моделі є, по суті, імпровізованим додатком. Його додали до теорії задля коректного моделювання світу наших чуттів. Проте теорія не вимагає його існування. Усесвіт міг би спокійно собі існувати й без далекосяжної слабкої сили та безмасових частинок. Хіба що ми не існували б, щоб ними перейматися. Мало того, вище було показано, що детальні фізичні властивості бозона Хіггса в рамках самої лише Стандартної моделі невизначені. Бозон Хіггса міг би спокійно бути вдвадцятеро важчим чи в сотню разів легшим.

Чому ж тоді бозон Хіггса взагалі існує? І чому він має таку масу, яку має? (Знов-таки будемо свідомі того, що, коли науковці питають «Чому?», насправді мають на увазі «Яким чином?») Якби бозон Хіггса не існував, не існував би світ, який ми бачимо, проте, звісно, це не пояснення. Чи все-таки пояснення? Урешті-решт розуміння базисної фізики, яка лежить в основі бозона Хіггса, еквівалентне розумінню того, як так сталося, що існуємо ми. Запитання «Чому ми існуємо?» на фундаментальному рівні еквівалентне запитанню «Чому існує бозон Хіггса?» І Стандартна модель не дає відповіді на це запитання.

Утім, деякі підказки, одержані з поєднання теорії з експериментом, усе-таки є. 1974 року, невдовзі після укорінення фундаментальної структури Стандартної моделі та задовго до експериментального підтвердження всіх її подробиць упродовж наступного десятиліття, у Гарварді, де тоді працювали і Ґлешоу, і Вайнберґ, дві різні групи фізиків помітили дещо цікаве. Ґлешоу на пару з Говардом Джорджі зробили те, що Ґлешоу вмів робити найкраще: почали шукати закономірності серед наявних частинок і сил та відшукувати нові можливості за допомогою математики теорії груп.

Згадаймо, що в Стандартній моделі слабка й електромагнітна сили об’єднані на високоенергетичному масштабі, проте в спостережуваних масштабах, коли симетрія спонтанно порушується конденсатом поля Хіггса, маємо дві окремі та чітко відмінні сили, причому слабка сила стає близькодійною, а електромагнітна залишається далекосяжною. Джорджі та Ґлешоу спробували розширити цю ідею, додавши сильну силу, та виявили, що всі відомі частинки та три негравітаційні сили можна природним чином вмістити в єдину фундаментальну структуру симетрії більшого калібрування. Далі вони припустили, що ця фундаментальна симетрія може спонтанно порушуватися на деякому надвисокому енергетичному та малому лінійному масштабі, який лежить далеко поза межами досяжності поточних експериментів, унаслідок чого утворюються окремі сильна та електрослабка сили. Відповідно, на меншому енергетичному та більшому лінійному масштабі порушується електрослабка симетрія, розділяючись на близькодійну слабку й далекосяжну електромагнітну сили.

Вони скромно назвали цю теорію теорією Великого об’єднання (ТВО).

Приблизно в той же час Вайнберґ і Джорджі разом із Гелен Квінн помітили дещо цікаве, що випливало з праці Вільчека, Ґросса та Поліцера. Тоді як сильна взаємодія в міру її вимірювання на все менших лінійних масштабах слабшала, електромагнітна та слабка взаємодії сильнішали.

Не треба було бути науковцем-ракетником, щоб замислитися, чи не стають сили цих трьох різних взаємодій ідентичними на якомусь малому лінійному масштабі. Виконавши обрахунки, вони виявили (з точністю тодішніх вимірювань сили взаємодій), що таке об’єднання можливе, проте лише в тому випадку, коли розмірність об’єднання приблизно на п’ятнадцять порядків менша за розмір протона.

У разі, якщо об’єднана теорія була теорією, яку запропонували Джорджі та Ґлешоу, то були гарні новини, оскільки, якщо об’єднати всі спостережувані в природі частинки в цій новій групі великого калібрування, мають існувати нові калібрувальні бозони, які породжують переходи між кварками (з яких складаються протони й нейтрони) та електронами й нейтрино. Це означало б, що протони можуть розпадатися на інші, легші частинки. Як висловився з цього приводу Ґлешоу, «діаманти не вічні».

Навіть тоді вже було відомо, що протони мають неймовірно тривалий час життя. І не лише тому, що ми продовжуємо існувати, хоча від Великого вибуху минуло майже 14 мільярдів років, а ще й тому, що ми всі не помираємо від раку ще дітьми. Якби середній час існування протонів був менший за мільярд мільярдів років, за час нашого дитинства в наших тілах розпалася б кількість протонів, якої вистачило б для породження достатньої кількості радіації, щоб нас убити. Згадаймо, що у квантовій механіці всі процеси мають імовірнісний характер. Якщо середній протон живе мільярд мільярдів років, то, якщо хтось складається з мільярда мільярдів протонів, у середньому щорічно розпадатиметься один із них. А наші тіла містять значно більше, ніж мільярд мільярдів протонів.

Проте з огляду на неймовірно малу запропоновану лінійну розмірність, а отже, неймовірно велику розмірність маси, пов’язану зі спонтанним порушенням симетрії у ТВО, нові калібрувальні бозони повинні б мати великі маси. Це зробило б переносимі ними взаємодії настільки близькодійними, що на нинішніх масштабах протонів і нейтронів вони були б неймовірно малими. Як наслідок, тоді як протони здатні розпадатися, згідно з цим сценарієм вони можуть існувати до розпаду десь близько мільйона мільярдів мільярдів мільярдів років. Жодних проблем.

* * *

У зв’язку з результатами Ґлешоу та Джорджі, а також Джорджі, Квінн та Вайнберґа в повітрі запахло великим синтезом. Після успіху електрослабкої теорії фізики елементарних частинок почувалися амбітними та готовими до подальших об’єднань.

Проте хто сказав, що ці ідеї слушні? Побудувати прискорювач для дослідження енергетичного масштабу у мільйон мільярдів разів більшого за енергію маси спокою протона, просто неможливо. Кільце такої машини повинно мати довжину орбіти Місяця. І навіть якби це було можливо, то з огляду на попередню катастрофу із SSC жоден уряд нізащо не виписав би такий чек.

На щастя, був інший спосіб із використанням ймовірнісних аргументів на кшталт тих, які я навів вище, описуючи час життя протонів. Якщо ця нова теорія Великого об’єднання передбачить, що час життя протона становить, скажімо, тисячу мільярдів мільярдів мільярдів років, то, якщо знайти спосіб помістити в один детектор тисячу мільярдів мільярдів мільярдів протонів, у середньому щороку розпадатиметься один із них.

Де взяти стільки протонів? Дуже просто: у приблизно трьох тисячах тонн води.

Отже, було потрібно лише взяти бак із, скажімо, трьома тисячами тонн води, помістити його в темряву, пересвідчитися у відсутності радіоактивного фону, розставити навколо чутливі фотоелементи, здатні зафіксувати спалахи світла в детекторах, а тоді почекати рік, виглядаючи спалах світла, що супроводжуватиме розпад протона. Яким би складним не здавалося це завдання, принаймні два великі експерименти збудували й ввели в експлуатацію саме з такою метою, один – глибоко під землею в соляній шахті поблизу озера Ері, а другий – у шахті поблизу Каміоки (Японія). Шахти були необхідні для екранування від зовнішніх космічних променів, які створили б радіаційний фон, що заглушив би всі сигнали розпаду протона.

Обидва експерименти почали збирати дані десь у 1982–1983 роках. Велике об’єднання здавалося настільки привабливим, що фізична спільнота була певна: незабаром буде отримано сигнал і ВО ознаменує собою кульмінацію десятиріччя приголомшливих змін та відкриттів у галузі фізики елементарних частинок (не рахуючи Нобелівської премії Ґлешоу і, можливо, ще декому).

На жаль, цього разу природа виявилася не такою доброю. Ані на першому, ані на другому, ані на третьому році не було зафіксовано жодних сигналів. Найпростіша елегантна модель, яку запропонували Ґлешоу та Джорджі, досить швидко була відкинута. Проте, заразившись ідеєю Великого об’єднання, було нелегко її позбутися. Були запропоновані інші варіанти об’єднаних теорій, які могли пояснити пригнічення протонного розпаду поза межі поточних експериментів.

Проте 23 лютого 1987 року сталася інша подія, що підтвердила максиму, котра, як я мав можливість переконатися, є майже універсальною: щоразу, як ми відкриваємо нове вікно у всесвіт, на нас чекає несподіванка. Того дня група астрономів на відзнятих за ніч фотографічних пластинах угледіла найближчий за майже чотириста років вибух зірки (наднової). Ця зірка перебувала на відстані приблизно 160 000 світлових років у Великій Магеллановій Хмарі – маленькій галактиці-супутнику Чумацького Шляху, яку можна спостерігати в Південній півкулі.

Якщо наші уявлення стосовно зірок, що вибухають, слушні, то, попри те, що випромінене видиме світло настільки яскраве, що ті наднові (з частотою приблизно одного вибуху на сто років на галактику) є найяскравішими космічними феєрверками в небі, більша частина виділеної при цьому енергії повинна виділятися у формі нейтрино. Згідно з грубими оцінками, величезні водяні детектори ІМБ (Ірвайн – Мічиган – Брукхейвен) та «Каміоканде» мали зафіксувати приблизно двадцять нейтринних подій. Тоді експериментатори з проектів ІМБ та «Каміоканде» переглянули дані за той день, і – вуаля! – ІМБ зафіксував впродовж 10-секундного інтервалу вісім подій-кандидатів, а «Каміоканде» – одинадцять. За мірками світу фізики нейтрино це була просто-таки повінь даних. На основі цих дев’ятнадцяти подій фізики на кшталт мене, які збагнули, що перед ними відкрилися безпрецедентне вікно в ядро наднової й лабораторія не лише для астрофізики, а й для фізики самих нейтрино, написали, мабуть, 1900 статей.

Пришпорені усвідомленням, що великі детектори протонних розпадів можна одночасно використовувати ще й як нові астрофізичні детектори нейтрино, кілька груп почали будувати такі детектори подвійного призначення нового покоління. Найбільший такий детектор у світі було збудовано знову ж таки в шахті біля Каміоки й названо «Супер-Каміоканде», причому небезпідставно. Цей велетенський бак на 50 тисяч тонн води, оточений 11 800 фотоелементами, працював у шахті, проте в рамках експерименту підтримували чистоту лабораторної стерильної кімнати. Це було абсолютно необхідно, оскільки в роботі з детектором такого розміру хвилюватися доводилося не лише щодо зовнішніх космічних променів, а й щодо внутрішніх радіоактивних забруднювачів води, здатних заглушити всі шукані сигнали.

Водночас упродовж цього періоду нового зеніту досяг інтерес до спорідненої астрофізичної нейтринної сигнатури. Сонце виробляє нейтрино за рахунок ядерних реакцій у своєму ядрі, які його живлять, і впродовж двадцяти років Рей Девіс, використовуючи величезний підземний детектор, фіксував сонячні нейтрино, проте стабільно фіксував частоту подій, приблизно втричі меншу за теоретично передбачену на основі найкращих моделей Сонця. Тож у глибокій шахті в канадському Садбері було збудовано детектор сонячних нейтрино нового типу, який став відомий як Садберійська нейтринна обсерваторія (SNO).

Наразі «Супер-Каміоканде», який пережив різноманітні вдосконалення, майже безперервно пропрацював упродовж 20 років. За цей час не було зафіксовано ані жодного сигналу протонного розпаду, ані нових вибухів наднових. Проте високоточні спостереження нейтрино на цьому величезному детекторі в поєднанні з комплементарними спостереженнями в SNO, впевнено засвідчили: брак сонячних нейтрино, що їх зафіксував Рей Девіс, дійсно існує, мало того, він спричинений не астрофізичними ефектами на Сонці, а властивостями нейтрино. Принаймні один із трьох відомих типів нейтрино не є безмасовим, хоча його маса дійсно дуже мала, десь у сто мільйонів разів менша за масу наступної найлегшої частинки природи – електрона. Оскільки Стандартна модель не враховує маси нейтрино, це було перше переконливе спостереження того, що в природі діє якась нова фізика, що виходить за межі як Стандартної моделі, так і моделі Хіггса.

Невдовзі після цього спостереження за високоенергетичними нейтрино, які постійно бомбардують Землю в міру того, як високоенергетичні протони космічних променів врізаються в атмосферу та породжують спрямовану вниз зливу частинок, зокрема й нейтрино, показали, що масу має й другий тип нейтрино. Ця маса дещо більша, одначе все одно значно менша за масу електрона. За ці результати очільники команд у SNO та «Каміоканде» одержали 2015 року Нобелівську премію з фізики – лише за тиждень до того, як я написав перший чорновий варіант цих слів. Ці інтрижні натяки на існування нової фізики досі не пояснені поточними теоріями.

Хоча відсутність протонних розпадів розчаровувала, її не можна було назвати абсолютно несподіваною. Відтоді як теорія Великого об’єднання була запропонована вперше, фізичний ландшафт дещо змінився. Більш точні вимірювання реальних сил трьох негравітаційних взаємодій, поєднані з більш хитромудрими обрахунками залежності сили цих взаємодій від відстані, показали, що, якщо в природі існують лише частинки Стандартної моделі, сили цих трьох сил на жодному єдиному масштабі не об’єднуються. Для того, щоб відбулося Велике об’єднання, має існувати якась нова фізика на енергетичних масштабах поза межами вже спостережених. Наявність нових частинок вплине не лише на швидкість зміни трьох відомих взаємодій із відстанню таким чином, що вони все-таки зможуть об’єднатися на якомусь одному масштабі енергії; це спричинюватиме підвищення масштабу Великого об’єднання, а отже, зменшуватиме швидкість протонного розпаду, що приведе до передбачених часів життя, які перевищують мільйони мільярдів мільярдів мільярдів років.

Паралельно з усіма цими подіями нові математичні інструменти спонукали теоретиків узятися за дослідження можливого нового типу симетрії природи, яка стала відомою як суперсиметрія. Ця фундаментальна симетрія відрізняється від усіх досі відомих симетрій тим, що поєднує два різні типи частинок природи: ферміони (частинки з дробовими спінами) та бозони (частинки з цілочисельними спінами). Наслідком цього (багато інших книжок, зокрема декілька моїх, детально досліджують це питання) є те, що, якщо ця симетрія існує в природі, тоді для кожної відомої частинки Стандартної моделі має існувати принаймні одна відповідна нова елементарна частинка. Для кожного відомого бозона має існувати новий ферміон. Для кожного відомого ферміона має існувати новий бозон.

Оскільки ми досі не бачили цих частинок, ця симетрія не може проявлятися у світі на рівні наших відчуттів і має бути порушеною, що означає, що всі нові частинки отримують достатньо великі маси, щоб не засікатися жодним зі збудованих нині прискорювачів.

Що може бути привабливим у симетрії, яка раптом подвоює кількість частинок у природі за відсутності будь-яких свідчень існування хоч якихось із цих нових частинок? Великою мірою її звабливість полягає в самому факті Великого об’єднання. Оскільки, якщо теорія Великого об’єднання існує на масштабі маси енергії, вищому на 15–16 порядків за масу спокою протона, це відповідає енергії, приблизно на 13 порядків вищій за розмірність порушення електрослабкої симетрії. Головне питання тут у тому, чому і яким чином може існувати настільки величезна різниця масштабів фундаментальних законів природи. Зокрема, якщо Стандартна модель Хіггса є останнім істинним залишком Стандартної моделі, постає питання, чому енергетична розмірність порушення симетрії Хіггса на 13 порядків менша за розмірність порушення симетрії, пов’язаної з новим полем (яким би воно не було), яке необхідно ввести задля розбиття ТВО-симетрії на окремі складові сили?

Ця проблема дещо серйозніша, аніж здається. Скалярні частинки на кшталт бозона Хіггса мають кілька нових квантовомеханічних властивостей, відмінних від властивостей ферміонів чи частинок зі спіном 1 на кшталт калібрувальних частинок. Якщо розглянути впливи віртуальних частинок, зокрема частинок із довільно великими масами, таких як калібрувальні частинки гаданої теорії Великого об’єднання, виявиться, що вони схильні підвищувати масштаб маси та порушення симетрії бозона Хіггса так, що він, по суті, стає близьким або навіть ідентичним масштабу важкої ТВО-частинки. Це спричиняє проблему, відому як проблема природності. З формальної точки зору неприродно мати величезний розрив між розмірністю, на якій електрослабка симетрія порушується частинкою Хіггса, і розмірністю, на якій ТВО-симетрія порушується яким би не було новим важким скалярним полем.

Блискучий математичний фізик Едвард Віттен у впливовій статті від 1981 року показав, що суперсиметрія має особливу властивість. Вона здатна вгамувати вплив віртуальних частинок довільно великої маси та енергії на властивості світу на нині досліджуваних нами масштабах. Оскільки віртуальні ферміони й віртуальні бозони однакової маси породжують квантові корегування, ідентичні з точністю до знака, тоді якщо кожен бозон супроводжується ферміоном рівної маси, то квантові впливи віртуальних частинок взаємоскоротяться. Це означає, що впливи віртуальних частинок довільно великої маси та енергії на фізичні властивості всесвіту на масштабах, які ми здатні виміряти, будуть повністю нейтралізовані.

Проте, якщо порушується сама суперсиметрія, квантові корегування скоротяться не повністю. Натомість вони робитимуть внески в маси такого ж порядку, що й розмірність порушення суперсиметрії. Якби вона була порівнювана з розмірністю порушення електрослабкої симетрії, це пояснило б, чому розмірність маси бозона Хіггса є саме такою, якою є. І це також означало б, що на масштабі, нині досліджуваному в LHC, варто очікувати виявлення купи нових частинок – суперсиметричних напарників звичайної матерії.

Це розв’язало б проблему природності, оскільки захистило б маси бозонів Хіггса від можливих квантових корегувань, які могли б збільшити їх до енергетичного масштабу, пов’язаного з Великим об’єднанням. Суперсиметрія уможливила б «природний» великий розрив енергій (та мас) між електрослабким масштабом і масштабом Великого об’єднання.

Те, що суперсиметрія в принципі могла б розв’язати проблему калібрувальної ієрархії (саме під такою назвою вона стала відома), суттєво підвищило котирування її акцій серед фізиків. Вона змусила теоретиків розпочати дослідження реалістичних моделей, які включали в себе порушення суперсиметрії, та інших фізичних наслідків цієї ідеї. Коли вони це зробили, біржова вартість суперсиметрії зашкалила. Адже, якщо врахувати можливість спонтанного порушення суперсиметрії в розрахунках залежності трьох негравітаційних сил від відстані, зненацька сила цих трьох сил починає природним чином сходитися на єдиному, дуже малому лінійному масштабі. Велике об’єднання знову стало можливим!

Моделі, у яких порушується суперсиметрія, мають іще одну привабливу рису. Ще задовго до відкриття правдивого кварка було відзначено, що завдяки своїм взаємодіям з іншими суперсиметричними напарниками він здатен породжувати квантові корегування властивостей частинки Хіггса, які змусять поле Хіггса конденсуватися на масштабі його нині виміряної енергії за умови, що Велике об’єднання відбувається на значно вищому, надважкому масштабі. Коротше кажучи, енергетичний масштаб порушення симетрії електрослабкої взаємодії можна природним чином отримати в рамках теорії, у якій Велике об’єднання відбувається на значно більшому енергетичному масштабі. Коли правдивий кварк було відкрито й він дійсно виявився важким, можливість того, що саме порушення суперсиметрії відповідальне за спостережуваний енергетичний масштаб слабкої взаємодії, стала ще привабливішою.

Утім, усе це має свою ціну. Щоб ця теорія працювала, має бути не один, а два бозони Хіггса. Мало того, збудувавши прискорювач на кшталт LHC, здатний шукати нову фізику в околі електрослабкого масштабу, можна було б очікувати побачити нові суперсиметричні частинки. Нарешті, що досить довго здавалося вельми вбивчим обмеженням, найлегша передбачена цією теорією частинка Хіггса не могла бути занадто важкою, бо інакше цей механізм працювати не буде.

У ході безрезультатних пошуків бозона Хіггса прискорювачі дедалі ближче підходили до теоретичної вищої межі маси найлегшого бозона Хіггса, передбаченого суперсиметричними теоріями. Ця величина становила десь 135 мас протона, а конкретніші значення певною мірою залежали від конкретної моделі. Якби на цьому масштабі бозона Хіггса виявити не вдалося, це свідчило б про те, що весь цей галас навколо суперсиметрії був лише галасом.

Що ж, сталося по-іншому. Виявлений у LHC бозон Хіггса мав масу, приблизно рівну 125 масам протона. Схоже, до великого синтезу було рукою подати.

На сьогодні відповідь… не така однозначна. Якщо нові суперсиметричні напарники звичайних частинок дійсно існують, їхні сигнатури мали б бути настільки помітні в даних, зібраних LHC, що багато хто з нас був переконаний, що LHC має значно більше шансів відкрити суперсиметрію, аніж бозон Хіггса. Сталося не так, як гадалося. Ситуація вже починає виглядати неприємно. Обмеження знизу, які тепер можна накладати на маси суперсиметричних партнерів звичайної матерії, стають дедалі вищими. Якщо вони стануть аж занадто високими, вийде, що масштаб порушення суперсиметрії не може бути близьким до електрослабкого масштабу, і з багатьма привабливими рисами порушення суперсиметрії в плані розв’язання проблеми калібрувальної ієрархії доведеться розпрощатися.

Проте ситуація ще не безнадійна, і LHC був запущений знову, цього разу з більшою енергією. Може статися, що впродовж року, який мине між написанням цих слів і виходом десятого накладу цієї книги, суперсиметричні частинки буде відкрито.

Якщо так, це матиме ще один важливий наслідок. Однією з найбільших таємниць космології є природа темної матерії, яка, наскільки можна судити, становить переважну частину маси всіх видимих галактик. Як я вже натякав вище, її настільки багато, що вона не може складатися з тих самих частинок, що й нормальна матерія. Якби це було не так, то, наприклад, передбачення щодо поширеності легких елементів на кшталт гелію, що утворилися внаслідок Великого вибуху, перестали б узгоджуватися зі спостереженнями. Тож фізики розважливо переконані, що темна матерія складається з нового типу елементарних частинок. Але що це за тип?

Ну, у багатьох теоріях найлегший суперсиметричний напарник звичайної матерії є абсолютно стабільним і має багато властивостей нейтрино. Він має бути слабко взаємодійним та електрично нейтральним, тож не поглинатиме й не випромінюватиме світла. Мало того, розрахунки, що їх провів я й інші понад тридцять років тому, показали, що нинішня залишкова поширеність найлегшої суперсиметричної частинки, яка залишилася після Великого вибуху, природно потрапляє в потрібний діапазон для того, щоб бути тією темною матерією, яка переважає в масі галактик.

У цьому випадку наша галактика повинна мати ореол частинок темної матерії, що ширяють крізь неї, зокрема й крізь кімнату, у якій ви читаєте ці рядки. Як деякі з нас нещодавно збагнули, це означає, що, якщо розробити чутливі детектори та помістити їх під землю аналогічно принаймні за духом до вже встановлених під землею детекторів нейтрино, можна легко виявити ці частинки темної матерії. Зараз саме цим зайняті півдюжини чудових експериментів у різних куточках світу. Утім, досі нічого зафіксовано не було.

Тож потенційно ми з вами живемо або в найкращий, або в найгірший із часів. Детектори LHC та підземні детектори безпосередньо темної матерії змагаються, хто перший розкриє природу темної матерії. Якщо якась із цих груп повідомить про виявлення сигналу, він стане провісником знаходження шляху до абсолютно нового світу відкриттів, які потенційно приведуть до розуміння власне Великого об’єднання. А якщо в найближчі роки жодних відкриттів зроблено не буде, у нас з’являться підстави відкинути ідею простого суперсиметричного походження темної матерії, а відтак відкинути й саму ідею суперсиметрії як розв’язання проблеми калібрувальної ієрархії. У цьому разі нам знову доведеться танцювати від пічки, щоправда, якщо з LHC не надійде жодних нових сигналів, у нас не буде жодних натяків на напрямок, у якому треба рухатися, щоб вивести модель природи, яка потенційно може виявитися правильною.

Усе стало значно цікавіше, коли LHC зафіксував інтрижний потенційний сигнал нової частинки, приблизно вшестеро важчої за бозон Хіггса. Ця частинка не мала властивостей, які можна було б очікувати від суперсиметричного напарника звичайної матерії. Як правило, після накопичення більшого обсягу даних найзахопливіші паразитні натяки на сигнали зникають, і десь через півроку після першої появи цього сигналу, після накопичення більшого обсягу даних, він зник. Якби він не зник, це могло б повністю змінити всі наші уявлення щодо теорій Великого об’єднання та електрослабкої симетрії й засвідчити існування нової фундаментальної сили та нового набору частинок, які цю силу відчувають. Але попри те, що на основі цього сигналу було написано багацько сповнених надії теоретичних статей, природа, схоже, обрала інший шлях.

Весь цей час одна група теоретичних фізиків не переймалася ані відсутністю чіткого експериментального дороговказу, ані підтвердженням суперсиметрії. 1984 року чудові математичні аспекти суперсиметрії спричинили відродження ідеї, яка перебувала в сплячці з 1960-х років, коли Намбу та інші намагалися зрозуміти сильну силу як теорію кварків, зв’язаних струноподібними збудженнями. Коли суперсиметрія стала частиною квантової теорії струн, утворивши те, що стало відоме як теорія суперструн, почали з’являтися деякі невимовно красиві математичні результати, зокрема можливість об’єднання не лише трьох негравітаційних сил, а всіх чотирьох відомих сил природи в єдину узгоджену квантову теорію поля.

Проте така теорія вимагає існування купи нових просторово-часових вимірів, жоден із яких наразі не спостерігали. Також вона не робить передбачень, які можна було б перевірити за допомогою зрозумілих сьогодні експериментів. А нещодавно ця теорія суттєво ускладнилась, і нині видається, що навіть самі струни можуть не бути її головними динамічними змінними.

Проте це аж ніяк не зменшувало ентузіазму основного ядра відданих та дуже обдарованих фізиків, які працювали над теорією суперструн, яка нині зветься М-теорією, упродовж тридцяти років від зеніту її слави в середині 1980-х років. Періодично з’являються оголошення про видатні успіхи, проте М-теорії досі бракує ключового елементу, який зробив Стандартну модель таким тріумфом науки, – здатності контактувати зі світом, який можна виміряти, розв’язати непоясненні головоломки та надати фундаментальні пояснення того, яким чином наш світ постав саме таким, яким він є. Це не означає, що М-теорія неправильна, проте на цьому етапі це радше спекуляції, хоча й доброзичливі та гарно вмотивовані.

Тут і зараз не час і не місце для огляду історії, проблем та успіхів теорії струн. Я описував усе це в інших працях, як і багато хто з моїх колег. Варто пам’ятати: якщо уроки історії хоч що-небудь засвідчують, так це що авангардні фізичні ідеї хибні. Якби це було не так, теоретичною фізикою міг би займатися будь-хто. Щоб дійти до Стандартної моделі, знадобилося кілька століть, а якщо за відправну точку брати науку давніх греків, то навіть кілька тисячоліть влучань і промахів.

Тож ось де ми є. Чи чекають нас за рогом нові надзвичайні експериментальні здогади, здатні підтвердити чи спростувати деякі з найграндіозніших гіпотез фізиків-теоретиків? Чи ми стоїмо на краю пустелі й далі природа більше не даватиме нам жодних підказок щодо напрямку пошуків задля глибшого проникнення в базисну сутність космосу? Ми обов’язково це дізнаємося та будемо змушені змиритися з новою реальністю, якою б вона не виявилася.

З якими б іще хитрощами природи ми не зіткнулися, нещодавнє відкриття бозона Хіггса, найсвіжіше й одне із найвизначніших експериментальних та теоретичних досягнень видатної Стандартної моделі фізики елементарних частинок, стало чудовим вінцем понад двох тисячоліть інтелектуальних зусиль відважних та цілеспрямованих філософів, математиків і науковців, спрямованих на відкриття прихованої мозаїки, що лежить в основі нашого з вами існування.

Воно також наводить на думку, що чудовий усесвіт, у якому нам довелося жити, може не лише нагадувати – принаймні в метафоричному сенсі – крижаний кристал на віконному склі, а й бути настільки ж ефемерним.

Розділ 23

Від пивної вечірки до кінця часів

…бо минає стан світу цього.

1 до Коринтян 7:31

Упродовж більшої частини моєї кар’єри мої власні дослідження були зосереджені на новій галузі космології, яка зветься астрофізикою елементарних частинок. Після зливи теоретичних здобутків 1960-1970-х років земні експерименти, обмежені нашою здатністю споруджувати складні машини на кшталт прискорювачів частинок, ледве-ледве за ними встигали. Унаслідок цього дехто з нас звернувся за порадами до всесвіту. Оскільки з теорії Великого вибуху випливає, що попервах усесвіт був розпеченим та густим, тодішні умови неможливо відтворити в земних лабораторіях. Проте якщо підійти до справи з розумом, можна пошукати залишкові сигнатури тих ранніх часів у космосі й дістати змогу перевірити наші ідеї, що стосуються навіть найезотеричніших аспектів фундаментальної фізики.

Попередня моя книга «Всесвіт із нічого» описувала революції в нашому розумінні еволюції всесвіту на великих масштабах і впродовж тривалих періодів часу. Наші дослідження не лише виявили існування темної матерії, яка, як уже було описано вище, скоріш за все, складається з нових елементарних частинок, яких досі не зафіксовано в прискорювачах (хоча ми, можливо, наблизилися впритул до цього), а й значно екзотичніші речі, а саме що основна енергія всесвіту міститься в порожньому просторі й на цей момент ми й гадки не маємо, звідки вона виникає.

Нині наші спостереження повернули нас у часи немовлячого віку нашого всесвіту. Ми зафіксували найдрібніші подробиці радіації, яка зветься реліктовим мікрохвильовим фоновим випромінюванням, яке бере свій початок від часів, коли всесвіту було лише триста тисяч років. Наші телескопи повертають нас у часи найперших галактик, які сформувалися приблизно через мільярд років після Великого вибуху, і дають нам можливість картографувати велетенські космічні структури, які містять тисячі галактик та простягаються на мільйони світлових років, розкидані тут і там посеред приблизно сотні мільярдів галактик у видимому всесвіті.

Для пояснення всього цього теоретики спираються на ідею, що виникла завдяки розвитку теорій Великого об’єднання. 1981 року Алан Гут збагнув, що фазовий перехід, який спричиняє порушення симетрії й може мати місце на ТВО-масштабі, одному з початкових масштабів усесвіту, може не бути ідентичним фазовому переходу, який порушує симетрію між слабкою взаємодією та електромагнетизмом. У випадку ТВО БХ-подібне поле, що конденсується в просторі задля порушення ТВО-симетрії між сильною й електрослабкою силами, може на мить застигнути в метастабільному високоенергетичному стані, перш ніж повернутися у врівноважений стан своєї остаточної конфігурації. Перебуваючи в цій конфігурації «лжевакууму», це поле зберігатиме енергію, яка вивільниться тоді, коли поле зрештою повернеться у врівноважений стан своєї преференційної найменш енергетичної конфігурації.

Ця ситуація вельми нагадує те, що могло трапитися з вами, якщо вам колись доводилося планувати велику вечірку, а тоді забути вчасно поставити пиво в холодильник. Тоді ви ставите пиво в морозильник, проте в ході вечірки забуваєте про нього. Наступного дня ви знаходите пиво, відкриваєте пляшку і – бабах! – пиво в пляшці зненацька замерзає та розширюється, розбиваючи скло й спричиняючи страшенний гармидер. Поки кришку не знято, пиво перебуває під великим тиском, а за цього тиску й температури пиво рідке. Але щойно ви знімаєте кришку та знижуєте тиск, пиво раптово замерзає. Під час цього фазового переходу, у ході якого пиво переходить у новий, урівноважений стан, вивільняється достатня кількість енергії, щоб крига, яка розширюється, розбила пляшку.

Тепер уявіть собі аналогічну ситуацію в холодному кліматі. Свіжого та дощового зимового дня температура може швидко впасти нижче від точки замерзання, примушуючи дощ змінитися снігом. А от калюжі води на вулиці можуть замерзнути не одразу, тим паче якщо їх постійно збурюють колеса машин. Пізніше, коли рух стає менш жвавим, вода може раптово замерзнути, спричиняючи появу на дорозі небезпечної чорної криги. Через попереднє збурення машинами та швидке зниження температури вода застрягає в «метастабільній фазі», себто у вигляді рідини. Утім, урешті-решт відбувається фазовий перехід, і формується чорна крига. Оскільки за таких низьких температур преференційним найменш енергетичним станом води є твердий, то в результаті замерзання рідина вивільняє надмірну енергію, яку зберігала в метастабільному рідкому стані.

Гут задумався, що сталося б у ранньому всесвіті, якби така поведінка мала місце під час переходу, описаного ТВО, себто якби яке б не було скалярне поле, котре для цього переходу грає роль поля Хіггса, залишилося б на короткий час у початковому основному стані, що зберігає симетрію, навіть попри охолодження всесвіту нижче від точки, у якій преференційним стає новий конденсований основний стан, який симетрію порушує. Гут збагнув, що цей тип енергії, який це поле зберігало в просторі до завершення переходу, буде відштовхуватися гравітацією. Унаслідок цього всесвіт різко розшириться (можливо, у гігантську кількість разів, на двадцять п’ять порядків чи більше) за мікроскопічно короткий час.

Далі Гут відкрив, що цей період стрімкого розширення, яке він назвав роздуттям, здатен розв’язати кілька наявних парадоксів, пов’язаних із картиною Великого вибуху, зокрема пояснити, чому всесвіт на великих масштабах настільки однорідний та чому тривимірний простір на великих масштабах виглядає настільки близьким до геометричної пласкості. Без роздуття відповісти на ці запитання, схоже, неможливо. Перша проблема розв’язується, оскільки впродовж стрімкого розширення будь-які початкові неоднорідності розгладжуються, точно як зморщена повітряна кулька стає гладенькою, коли її надувають. Якщо розвинути цю аналогію, то поверхня кульки, надутої дуже сильно, скажімо, до розмірів земної кулі, виглядатиме дуже пласкою, точно як Канзас. Цей феномен, який породжує двовимірне сприйняття Землі, поширюється й на тривимірну кривизну простору як такого. Після роздуття простір здаватиметься пласким; якщо точніше, він виглядатиме як усесвіт, у якому, на думку більшості з нас, ми вже й так живемо, де паралельні лінії не перетинаються, а осі x, y та z в усіх точках усесвіту вказують у тих самих напрямках.

Після роздуття енергія, що зберігалась у просторі в лжевакуумному стані, вивільниться, породжуючи елементарні частинки та повторно нагріваючи всесвіт до високої температури, створюючи таким чином природну й реалістичну початкову умову подальшого стандартного гарячого розширення в рамках Великого вибуху.

Мало того, через рік після того, як Гут запропонував свою картину, кілька груп здійснили обрахунки, що сталося б із частинками й полями під час стрімкого розширення всесвіту в процесі роздуття. Вони відкрили, що незначні неоднорідності, спричинені квантовими ефектами ранніх часів, під час роздуття «заморозяться». Після роздуття ці незначні неоднорідності розростуться й утворять галактики, зірки, планети тощо й також залишать відбиток на реліктовому мікрохвильовому фоновому (РМФ) випромінюванні, який точно відповідає пізніше встановленій закономірності. Проте, використовуючи різні моделі роздуття, можемо одержати різні передбачення РМФ-анізотропій (на цьому етапі роздуття є радше моделлю, аніж теорією, а оскільки експериментально не встановлено існування якогось одного унікального ТВО-переходу, допустимі й багато різних варіантів).

На основі роздуття було зроблене ще одне захопливе та більш однозначне передбачення. Упродовж періоду стрімкого розширення в просторі виникатимуть брижі, що називаються гравітаційними хвилями. Ці брижі спричинятимуть появу в РМФ іще однієї характерної сигнатури, яку можна спробувати віднайти. 2014 року команда експерименту BICEP оголосила про виявлення сигналу, ідентичного передбаченому. Це спричинило неабиякий ажіотаж у спільнотах як космологів-теоретиків, так і космологів-спостерігачів. Ми разом із Френком Вільчеком написали статтю, яка вказувала не лише на те, що таке спостереження вказуватиме на масштаб порушення симетрії, який точно відповідатиме масштабу порушення ТВО-симетрії в моделях із суперсиметрією, а й на те, що таке спостереження однозначно засвідчить, що на малих масштабах гравітація має бути квантовою теорією, тож пошуки квантової теорії гравітації не є марними.

Проте, на превеликий жаль, оголошення команди BICEP виявилося передчасним. Подібний сигнал могли породити інші фонові випромінювання нашої галактики, і на час написання цих рядків за відсутності однозначних підтверджень роздуття чи квантової гравітації ситуація досі виглядає непевною.

Зовсім нещодавно, між завершенням першого чорнового варіанта та остаточної редакції цієї книги, неймовірний набір детекторів під назвою Лазерно-інтерферометрична гравітаційно-хвильова обсерваторія (LIGO), що в Генфорді, штат Вашингтон, та Лівінгстоні, штат Луїзіана, зробив перше переконливе безпосереднє відкриття гравітаційних хвиль. LIGO – неймовірна й амбітна машина. Для виявлення гравітаційних хвиль, випромінюваних у результаті зіткнення чорних дір у віддалених галактиках, експериментатори повинні були навчитися виявляти коливальну різницю довжин двох чотирикілометрових перпендикулярних рукавів детекторів із точністю до однієї тисячної частки розміру протона – це все одно, що виміряти відстань між Землею та найближчою зіркою після нашого Сонця, а саме Альфою Центавра, з точністю до ширини людської волосини!

Яким би разючим не було відкриття гравітаційних хвиль у LIGO, зафіксовані нею хвилі спричинені віддаленим астрофізичним зіткненням, а не першими миттєвостями Великого вибуху. Проте успіх LIGO є провісником побудови нових детекторів, тож саме гравітаційно-хвильова астрономія, скоріш за все, стане астрономією ХХІ століття.

Якщо в цьому чи наступному столітті наступники LIGO чи BICEP зможуть безпосередньо виміряти сигнатуру гравітаційних хвиль, спричинених роздуттям, нам відчиниться вікно у фізику всесвіту на той час, коли йому ще не виповнилося мільярд мільярдів мільярдної частки секунди. Це дасть нам змогу безпосередньо перевірити наші ідеї роздуття та Великого об’єднання, і, ймовірно, навіть проллє світло на можливість існування інших усесвітів, перетворивши на фізику те, що нині належить до метафізики.

Утім, на сьогодні роздуття є лише гарно обґрунтованою пропозицією, яка, схоже, природним чином розв’язує більшість основних загадок космології. Проте тоді як роздуття лишається єдиним неемпіричним теоретичним кандидатом на пояснення основних спостережуваних рис нашого всесвіту, воно спирається на існування нового та суто службового скалярного поля, цілеспрямовано винайденого задля спричинення роздуття й тонко налаштованого так, щоб спричиняти його точно тоді, коли ранній усесвіт тільки-но почне охолоджуватися після Великого вибуху.

До відкриття частинки Хіггса ці роздуми були в найкращому випадку правдоподібними. За відсутності хоч одного відомого прикладу фундаментального скалярного поля припущення, що порушення симетрії в рамках Великого об’єднання може бути наслідком іще одного простого БХ-подібного механізму, було екстраполяцією, вибудуваною на ненадійній основі. Як уже описано вище, відкриття W– та Z-частинок зробило очевидним порушення електрослабкої симетрії. Проте це просте поле Хіггса могло бути казковим замінником якогось значно складнішого та, імовірно, значно цікавішого базисного механізму.

Нині все змінилося. Бозон Хіггса існує, а відповідно, існує й фонове скалярне поле, яке нині пронизує весь простір усесвіту, надаючи масу частинкам та породжуючи характеристики всесвіту, який ми здатні населяти. Якщо теорія Великого об’єднання справді існує й поєднує всі три сили в одну десь близько до початку часів, тоді мало відбутися якесь порушення симетрії, лише після якого три відомі негравітаційні сили почали відрізнятися своїм характером. Бозон Хіггса засвідчує, що порушення симетрії в законах природи може відбутися внаслідок конденсації скалярного поля в просторі. Тож залежно від подробиць роздуття стає значно природнішим та потенційно універсальним варіантом. Як пожартував мій колега Майкл Тернер, мавпуючи тодішнього голову ради керівників Федеральної резервної системи США Алана Грінспена, «періоди роздуття неминучі».

Можливо, це твердження було значно більш провісницьким, аніж можна було тоді собі уявити. 1998 року було відкрито, що в нашому всесвіті якраз відбувається нова версія роздуття, яке підтвердило вельми єретичні прогнози, що їх зробив дехто з нас. Як згадано вище, з цього випливає, що основна енергія всесвіту перебуває в порожньому просторі, що є найправдоподібнішим поясненням прискорення спостережуваного розширення всесвіту. За відкриття цього визначного та великою мірою несподіваного феномену Браян Шмідт, Адам Рісс та Сол Перлматтер отримали Нобелівську премію. Природним чином постають запитання, що може спричиняти це нинішнє прискорене розширення та що є джерелом цього нового виду енергії.

Одразу ж виникають два варіанти. По-перше, це може бути фундаментальна властивість порожнього простору, можливість якої передбачив Альберт Ейнштейн невдовзі після розробки загальної теорії відносності, яка, як він збагнув, могла включати в себе дещо, що він назвав «космологічною сталою», і котра, як ми розуміємо нині, може просто відображати ненульову енергію основного стану всесвіту, яка існуватиме необмежену кількість часу й в майбутньому.

Або, по-друге, це може бути енергія, що зберігається в ще одному невидимому фоновому скалярному полі всесвіту. Якщо це так, виникає наступне очевидне запитання: чи вивільниться ця енергія в результаті ще одного майбутнього фазового переходу, подібного до роздуття, який відбудеться, коли всесвіт достатньо охолоне?

На сьогодні це питання відкрите. Хоча нині обчислена енергетична густина порожнього простору більша за енергетичну густину всього іншого, що ми бачимо у всесвіті, в абсолютних величинах, у масштабі енергій, пов’язаних із масами всіх відомих нам елементарних частинок, вона вкрай мізерна. Не існує жодного осмисленого неемпіричного пояснення на основі відомих механізмів фізики елементарних частинок, яким чином енергія основного стану всесвіту може бути ненульовою, що приводить до виникнення космологічної сталої Ейнштейна, але водночас настільки малою, щоб уможливити спостережуване нами м’яке прискорення. (Утім, одне правдоподібне пояснення, що його вперше надав Стів Вайнберґ, усе-таки є, хоча воно умоглядне та спирається на умоглядні ідеї щодо можливої фізики далеко за межами сфери, яку ми розуміємо зараз. Якщо всесвітів багато, а енергетична густина в порожньому просторі, якщо припустити, що це космологічна константа, не зафіксована фундаментальними фізичними обмеженнями, а натомість довільним чином варіюється від усесвіту до всесвіту, тоді лише в тих усесвітах, у яких енергія в порожньому просторі не набагато більша за виміряне нами значення, зможуть сформуватися спершу галактики, а тоді зірки, і лише тоді планети, і лише тоді астрономи…)

Водночас не існує жодної осмисленої моделі нового фазового переходу, передбаченого фізикою елементарних частинок для нового скалярного поля, яке нині зберігає в собі настільки малий обсяг енергії. Під осмисленою моделлю я розумію таку, яку визнає правдоподібною ще хоча б хтось, окрім її авторів.

Зрештою, усесвіт такий, який він є, і з того факту, що поточна фундаментальна теорія не надає неемпіричного передбачення, здатного пояснити щось настільки фундаментальне, як енергія порожнього простору, не випливає нічого містичного. Як я вже казав, брак розуміння не є свідченням існування Бога. Це лише свідчення браку розуміння.

Ураховуючи, що ми не знаємо, що є джерелом потенційно наявної енергії порожнього простору, ми вільні сподіватися на краще, і в цьому випадку це, можливо, означає сподівання, що слушним є пояснення через космологічну сталу, а не через існування якогось іще не відкритого скалярного поля, яке одного дня може перейти в новий стан, вивільнивши енергію, що нині зберігається в просторі.

Згадаймо, що через зв’язування поля Хіггса з рештою матерії у всесвіті за конденсації поля в стан порушення електрослабкої симетрії кардинально змінилися властивості матерії та сил, що керують взаємодіями матерії.

Відповідно, якщо в природі має відбутися якийсь подібний фазовий перехід за участі певного нового скалярного поля в просторі, стабільність відомої нам матерії може зникнути. Галактики, зірки, планети, люди, політики й усе, що ми бачимо навколо, може в буквальному сенсі слова зникнути. Єдиний позитивний момент (окрім зникнення політиків) полягає в тому, що цей перехід за умови, що він починається з якогось крихітного зернятка в якійсь точці нашого всесвіту (аналогічно до того, як крихітні пилинки можуть покласти початок формуванню крижаних кристалів на замерзлому віконному склі чи сніжинок у процесі їх падіння на землю), пошириться простором зі швидкістю світла. Ми не будемо знати, що нас накрило, аж доки це не станеться, після чого ми вже не існуватимемо й нам буде байдуже.

Допитливий читач міг звернути увагу, що всі ці обговорення стосуються нових можливих скалярних полів у природі. А що ж там із полем Стандартної моделі Хіггса? Чи може воно відігравати якусь роль у всьому цьому поточному космічному шарварку? Чи може поле Хіггса містити енергію та нести відповідальність за роздуття на початку всесвіту чи нині? Чи може поле Хіггса перебувати не в кінцевому своєму основному стані й чи чекає на нього ще один перехід, який іще раз змінить конфігурацію електрослабкої сили й маси частинок Стандартної моделі?

Гарні запитання. І відповіді на них усі однакові: ми не знаємо.

Це не завадило деяким теоретикам розмірковувати щодо такого варіанта. Мій улюблений приклад (улюблений не тому, що він кращий за інші, а тому, що це міркування належить мені й моєму колезі Джеймсу Денту й сформулювали ми його невдовзі після відкриття бозона Хіггса) полягає в тому, що, можливо, поле Хіггса все-таки відіграє роль у спостережуваному космічному розширенні. Як зазначають деякі автори, існування фонового польового конденсату й частинок, з яких він складається, може слугувати унікальним вікном, або «порталом», який може надати неочікувану сприйнятливість існуванню в природі інших БХ-подібних полів незалежно від того, наскільки слабкими можуть бути їхні безпосередні прив’язки до частинок, спостережуваних у рамках Стандартної моделі.

Якщо бозон Хіггса та інші БХ-подібні частинки існують як варіант у масштабі теорії Великого об’єднання, тоді фізичний бозон Хіггса – та сама частинка, відкрита в ЦЕРН, – може бути деякою сумішшю бозона Хіггса слабкої взаємодії та іншої БХ-подібної частинки (тут ми відштовхуємося від фізики нейтрино, у якій аналогічний феномен відіграє ключову роль у розумінні, наприклад, поведінки нейтрино, випущених у ході ядерних реакцій на Сонці та зафіксованих на Землі). У такому разі можна твердити, що, принаймні коли поле частинок Хіггса слабкої взаємодії сконденсується в порожньому просторі, це може стимулювати конденсацію іншого БХ-подібного поля з властивостями, які дозволять їй зберігати точно таку кількість енергії, яка пояснила б спостережуване сьогодні роздуття всесвіту. Необхідна для цього математика вельми силувана, і модель потворна. Утім, хто його зна? Можливо, вона потворна тому, що ми ще не знайшли правильної схеми, у яку її вбудувати.

Проте цей сценарій усе ж варто згадати не лише заради красного слівця через одну привабливу рису. У цій картині енергія, яку несе друге поле і яка спричиняє вимірюване нині прискорене розширення всесвіту, скоріш за все, урешті-решт вивільниться в результаті нового фазового переходу до справжнього основного стану всесвіту. Завдяки тому, що це нове поле може слабко прив’язуватися до всіх спостережуваних частинок, цей перехід, на відміну від багатьох інших варіантів майбутніх можливих фазових переходів у нашому всесвіті, не призведе до зміни спостережуваних властивостей жодної відомої частинки природи на скільки-небудь помітну величину. Тож плюсом цієї моделі є те, що, якщо вона правильна, відомий нам усесвіт може вижити.

Проте святкувати було б передчасно. Незалежно від подібних міркувань відкриття бозона Хіггса викликало до життя привид значно менш оптимістичного варіанта. Тоді як майбутнє, у якому спостережуване прискорення всесвіту триває вічно, є жалюгідним майбутнім для життя й здатності продовжувати зондувати всесвіт (оскільки кінець кінцем усі галактики, які ми наразі спостерігаємо, віддаляться від нас зі швидкістю, більшою за швидкість світла, і зникнуть із нашого обрію, залишивши всесвіт холодним, темним і значною мірою порожнім), майбутнє, яке може постати внаслідок існування поля Хіггса з масою в 125 мас протона, може бути набагато гіршим.

Якщо на мить припустити, що на вищих енергіях Стандартна модель не доповнюється купою нових речей, то обрахунки показують, що за маси бозона Хіггса, яка збігається з допустимим діапазоном для спостережуваного БХ, наявний конденсат поля Хіггса балансує на самому краєчку нестабільності й може змінити своє поточне значення на зовсім інше, що асоціюється з більш низькоенергетичним станом.

Якщо такий перехід відбудеться, звична матерія, як ми її знаємо, змінить форму, і галактики, зірки, планети та люди, радше за все, щезнуть, наче той крижаний кристал теплого сонячного ранку.

Для любителів жахів було запропоновано ще один, іще страшніший варіант. Не виключене існування нестабільності, яка спричинить необмежене зростання величини поля Хіггса. Унаслідок цього зростання енергія, що міститься в еволюційному полі Хіггса, може стати від’ємною. Це може спричинити колапс усього всесвіту в ході катастрофічного дзеркального відображення Великого вибуху – Великого розчавлення. На щастя, дані свідчать не на користь такого варіанта, яким би поетичним він не виглядав.

Щодо сценарію, у якому все, що ми бачимо, зникає внаслідок раптового переходу поля Хіггса в новий основний стан, хочу наголосити, що виміряна зараз маса бозона Хіггса свідчить на користь стабільності, проте її значення достатньою мірою невизначене, щоб зрештою опинитися як по один, так і по інший бік цієї межі, або породжуючи стабільний за всіма ознаками вакуум, у якому ми квітнемо нині, або ж свідчачи на користь такого переходу. Мало того, цей сценарій ґрунтується на обрахунках у рамках самої лише Стандартної моделі. Будь-яка нова фізика, яку, можливо, буде відкрито в LHC чи подальших колайдерах, може повністю змінити цю картину, стабілізуючи нестабільне натомість поле Хіггса. Оскільки ми цілком упевнені, що нова, іще не відкрита фізика існує, на цей момент немає жодних підстав для відчаю.

Якщо ж цього мало, аби втішити тих, хто все одно боїться, що в підсумку світ очікує більш жалюгідний з описаних варіантів майбутнього, ті самі обрахунки, які свідчать, що таке може статися, також свідчать, що наша поточна метастабільна конфігурація реальності ще протримається впродовж не просто мільярдів, а мільярдів мільярдів мільярдів років.

Хай би як ми переймалися майбутнім, зараз слушний момент іще раз підкреслити, що всесвіту абсолютно начхати, що нам подобається й чи ми з вами виживемо. Його динаміка розгортається незалежно від того, існуємо ми чи ні. З цієї причини мене дивним чином вабить описаний вище сценарій судного дня. У цьому випадку карколомний випадок, якому ми завдячуємо нашим існуванням, – себто конденсація поля, яке уможливило поточну стабільність матерії, атомів та самого життя, – виявиться короткочасною дещицею везіння.

Описані вище уявні науковці, що живуть на гребені крижаного кристала на віконному склі, спершу відкрили б, що один із напрямків у їхньому всесвіті дуже особливий (що, без сумніву, святкували б теологи цього суспільства як приклад Божої любові). Копаючи глибше, вони могли б виявити, що ця особливість є просто випадковістю, оскільки можуть існувати інші крижані кристали, у яких перевага надається іншим напрямкам.

Так і ми відкрили, що наш усесвіт з усіма своїми силами, частинками та дивовижною Стандартною моделлю, наслідком якої є напрочуд щасливий випадок розширюваного всесвіту із зірками, планетами й життям, здатним у ході еволюції виробити свідомість, також є простою випадковістю, яка стала можливою тому, що на самому світанку всесвіту поле Хіггса конденсувалося саме так і не інакше.

І хоча уявні науковці на гіпотетичному крижаному кристалі можуть святкувати свої відкриття, як це зазвичай робимо ми, вони можуть і гадки не мати про те, що ось-ось зійде Сонце, і незабаром їхній крижаний кристал розтане, і будь-які сліди їхнього короткого існування щезнуть без сліду. Чи зробило б це емоції від їхнього короткого існування менш захопливими? Звісно, що ні. Тож, якщо наше майбутнє таке ж скороминуще, ми можемо принаймні дістати задоволення від нашої карколомної подорожі та насолоджуватися кожним аспектом найвидатнішої оповіді з коли-небудь розказаних – поки що.

Епілог

Скромність космічного масштабу

Бо ти порох, і до пороху вернешся.

Буття 3:19

«Вміють тут плакать над горем, бідою журитись людською».

Так писав Вергілій, створюючи перший видатний епос класичної ери. Я обрав саме ці слова як епіграф до цієї книги, оскільки оповідь, яку я хотів розповісти, не лише містить рівно стільки ж драматизму, людських трагедій та захвату, а й, зрештою, має аналогічну мету.

Чому ми займаємося наукою? Звісно, почасти заради здатності краще керувати навколишнім середовищем. Завдяки кращому розумінню всесвіту ми можемо точніше передбачати майбутнє та будувати пристрої, здатні змінити майбутнє, – маю надію, на краще.

Проте я переконаний, що в остаточному підсумку ми воліємо займатися наукою через первісне прагнення кращого розуміння нашого походження, нашої смертності та, зрештою, самих себе. Ми жорстко запрограмовані виживати шляхом розв’язання загадок, і ця еволюційна перевага з плином часу надала нам розкіш хотіти розв’язувати будь-які загадки, навіть менш нагальні за питання пошуку їжі чи втечі від лева. А хіба може бути загадка, спокусливіша за загадку нашого всесвіту?

Людство не мало вибору щодо своєї еволюції. Так сталося, що ми живемо на планеті віком 4,5 мільярда років у галактиці віком 12 мільярдів років у всесвіті віком 13,8 мільярда років, який налічує принаймні сто мільярдів галактик і дедалі швидше розширюється в майбутнє, яке ми поки що не здатні передбачити.

То що ж нам робити з цією інформацією? Чи має розуміння нашої людської історії якесь особливе значення? Як нам навести лад у власному існуванні посеред усієї цієї космічної величі та трагедії?

Для більшості людей головні питання існування кінець кінцем зводяться до трансцендентних: «Чому всесвіт узагалі існує? Чому існуємо ми?»

Які б припущення не вкладались у запитання «Чому?», якщо краще зрозуміти «яким чином», «чому» стане видно значно краще. У попередній своїй книзі я показав, що наука має сказати стосовно першого з наведених питань. Оповідь, яку я виклав тут, надає те, що я вважаю найкращою відповіддю на друге з них.

Перед лицем загадки нашого існування в нас є два варіанти. Можна припустити, що ми якісь особливі й усесвіт якимось чином зроблений спеціально для нас. Для багатьох найприємнішим є саме такий варіант. Саме такий варіант обрали ранні людські племена, які наділяли природу антропоморфними рисами, оскільки це давало їм надію зрозуміти те, що натомість було ворожим світом, у якому все нерідко крутилося навколо страждання й смерті. Саме такий варіант обрала більшість світових релігій, кожна з яких претендувала на розв’язання проблеми скрути земного існування.

Вибір на користь одного із запропонованих варіантів привів до створення священної книги однієї з культур, Нового Заповіту, який подеколи називають «найвидатнішою оповіддю з коли-небудь розказаних» – оповіді про позірне відкриття цією цивілізацією власної божественної природи. Проте коли я бачу війни та вбивства, викликані суперечками, які саме молитви читати, з ким треба одружуватися чи послідовником якого саме пророка слід бути, я не можу знову не згадати Гуллівера, який натрапив на суспільства, що воювали між собою через суперечку, з якого кінця, згідно з Божим задумом, необхідно розбивати яйце.

Другий варіант відповіді на ці трансцендентні загадки полягає в тому, щоб не робити ніяких попередніх припущень стосовно відповідей. Це приводить нас до іншої оповіді. Оповіді, яку я вважаю скромнішою. У цій оповіді ми еволюціонуємо у всесвіті, закони якого існують незалежно від нашого існування. У цій оповіді ми перевіряємо кожну деталь, аби визначити, чи може вона бути помилковою. У цій оповіді нас на кожному кроці чекатимуть несподіванки.

Оповідь, яку я виклав тут, описує не лише всесвітню, а й людську драму. Вона описує найвідчайдушнішу інтелектуальну подорож, у яку коли-небудь вирушали люди. Вона, якщо ваша ласка, навіть містить біблійні алегорії. Після розробки Стандартної моделі ми сорок років блукали пустелею, аж доки не відшукали землю обітовану. Істина, або принаймні той її обсяг, який нам наразі відомий, була об’явлена нам у вигляді того, що більшість людей сприймуть як нерозбірливі карлючки, а саме математики калібрувальних теорій. Її нам не янгол на золотих скрижалях приніс, натомість ми одержали їх набагато реальнішим шляхом: на аркушах паперу в лабораторних записниках, заповнених у результаті копіткої роботи легіоном науковців, свідомих того, що їхні твердження можна перевірити на предмет неомильного моделювання реального світу, світу спостережень та експериментів. Проте не менш важливим, ніж шлях, яким ми сюди дісталися, є факт того, що ми зайшли настільки далеко.

Які висновки ми можемо зробити стосовно того, чому існуємо, на цьому етапі оповіді? Відповідь виглядає вкрай дивовижною, оскільки чітко показує, якою великою мірою всесвіт наших чуттів є лише тінню реальності.

Також я почав цю книгу з цитати з твору «Сапсан» натураліста Дж. А. Бейкера: «Найважче побачити те, що є насправді». Я вчинив так тому, що моя оповідь є найяскравішим із відомих мені прикладів правильності цього мудрого спостереження.

Далі я описав Платонову алегорію печери, оскільки не знаю кращого чи ліричнішого опису реальної історії науки. Тріумф людського існування полягав у звільненні з кайданів, у які нас закули наші обмежені чуття. У здогадці, що під світом наших чуттів криється багато в чому значно дивніша реальність. І хоча цій реальності властива бездоганна математична краса, у ній наше існування значно більшою мірою, ніж можна було собі уявити наперед, стає лише чудернацьким вивертом.

Якщо тепер поставити запитання, чому все так, як воно є, найкраща відповідь, яку можна запропонувати, звучить так: це наслідок випадковості в історії всесвіту, у результаті якої в порожньому просторі певним чином замерзло деяке поле. Якщо поміркувати, яке це може мати значення, то виявиться, що з таким же успіхом можна поміркувати щодо важливості конкретного крижаного кристала на замерзлому рано-вранці віконному склі. Правила, які уможливили наше виникнення, видаються не більш вартими боротьби та смерті, аніж питання, що у всесвіті крижаного кристала краще – «верх» чи «низ» або з якого кінця, гострого чи тупого, краще розбивати яйце.

Наші примітивні предки вижили значною мірою завдяки тому, що усвідомлювали, що природа за всієї своєї дивовижності може бути ворожою та жорстокою. Прогрес науки чітко засвідчив, наскільки наш усесвіт може бути ворожим та жорстоким стосовно життя. Проте усвідомлення цього не робить усесвіт менш приголомшливим. У такому всесвіті легко знайдеться місце для благоговіння, трепету й захоплення. Так чи інакше, усвідомлення цих фактів надає нам додаткові причини оспівувати наше походження та виживання.

Твердження, що у всесвіті, у якого, здається, нема ніякої мети, саме наше існування також позбавлене змісту чи цінності, є виявом безприкладного соліпсизму, оскільки з цього випливає, що без нас усесвіт нічого не вартий. Найцінніше, що може подарувати нам наука, це здатність перерости потребу бути центром усесвіту одночасно з тим, як ми навчаємося цінувати чудовість випадковості, яку нам випала велика честь спостерігати.

Як і в алегорії Платона, у нашій оповіді важливу роль відігравало світло. Зміна нашого сприйняття світла привела до зміни нашого розуміння сутності простору й часу. Урешті-решт завдяки цій зміні сприйняття ми чітко зрозуміли, що навіть цей посланець реальності, який є настільки важливим для нас і нашого існування, сам є всього-на-всього щасливим наслідком космічної випадковості. Випадковості, яка одного дня може бути виправлена.

Тут варто відзначити, що наступний рядок «Енеїди», одразу після епіграфа, що відкриває цю книжку, містить обнадійливий заклик «Геть увесь страх». Майбутнє, у якому нас може очікувати зникнення, аж ніяк не нівелює величності подорожі, яку ми досі здійснюємо.

Оповідь, яку я розказав, не є вичерпною. Того, що ми не розуміємо, напевно значно більше, ніж зрозумілого. У процесі пошуку смислу наше розуміння реальності в міру розгортання цієї оповіді неодмінно зміниться. Я часто чую, що наука ніколи не зможе зробити того чи того. Можу сказати одне: доки не спробуємо, не дізнаємося.

За примхою долі я пишу ці заключні слова, сидячи за столом, за яким мій покійний друг та співучасник у битві проти міфів та забобонів Крістофер Гітченс написав свій шедевр «Бог не великий». Важко не відчути, як його присутність направляє мою руку, хоча я добре знаю, що він перший нагадав би мені, що всі ці відчуття виникають у мене в голові й не спричинені нічим більш космічно значущим. Проте назва його книги підкреслює, що людські оповіді, які він так палко любив та настільки блискуче описував, бліднуть порівняно з оповіддю, на відкриття якої спонукала нас сама природа. Так само людські оповіді про Бога бліднуть порівняно зі справжньою «найвидатнішою оповіддю з коли-небудь розказаних».

Урешті-решт ця оповідь не надає минулому якогось особливого значення. Ми можемо розмірковувати щодо обраного нами шляху й навіть оспівувати його, проте найбільше звільнення та найбільша розрада з наданих наукою випливають з її, мабуть, найголовнішого уроку: найкращі частини цієї оповіді ще тільки мають бути написані.

Така можливість, поза всяким сумнівом, робить космічну драму нашого існування вартою всього цього.

Подяки

Цю книгу почасти написано з метою віддати належне всім тим, хто сприяв тому, що наше розуміння всесвіту досягло свого нинішнього рівня. Оскільки я прагнув точно й коректно викласти як науку, так і історію, після закінчення першого варіанта книги звернувся з проханнями допомогти мені з їх перевіркою до кількох своїх колег. У відповідь я мав коментарі, корисні поради й виправлення, тож хотів би подякувати Шелдону Ґлешоу та Воллі Ґілберту, а також Річарду Докінзу за їхні поради, і я особливо вдячний одному з моїх колег, якого дуже поважаю за його внески як дослідника та наукову чесність і який волів зберегти анонімність, за уважну вичитку рукопису та запропоновані численні виправлення. Поза наукою я звернувся за порадою щодо рукопису до свого друга та одного з найповажніших для мене письменників, який водночас є чудовим науковцем-любителем. Кормак МакКарті, який, на мою безмежну радість, зголосився вичитати видання в м’якій обкладинці моєї попередньої книги «Квантова людина» й цього разу ретельно вивчив кожну сторінку одержаного рукопису та надав коментарі й поради, аби, за його власними словами, «зробити книгу ідеальною». Я не ризикну вважати, що вона такою є, проте можу впевнено стверджувати, що завдяки його доброті, мудрості й таланту вона стала набагато кращою.

Цю книгу ніколи не було б написано, якби вибором видавця настільки майстерно не відав мій новий агент і давній друг Джон Брокман та його підлеглі; і, на превелике щастя, сталося так, що редактором цієї книги зголосилася бути редактор мого «Всесвіту з нічого» Лезлі Мередит з «Atria Books». Ми з Лезлі мало того що споріднені душею, так вона ще й стала чудовим тестовим слухачем для випробовування викладених у цій книзі ідей. Вона змусила мене чіткіше розписати різноманітні наукові викладки, які особисто я вважав достатньо зрозумілими й без того, та заохотила мене не відступати від моїх твердих переконань щодо необхідності дослідникам висловлюватися з приводу наукового безглуздя.

Зіткнувшись із трудомістким завданням дослідження розмаїття суттєвих редагувань в остаточній редакції, я був певен, що зможу розраховувати на безпеку, підтримку й усамітнення в будинку, що його збудувала моя чудова дружина Ненсі, яка рятувала й надихала мене більше разів, ніж можна полічити, і що моя пасербиця Сантал мовчки зноситиме звуки мого друкування в студії, розташованій якраз над її спальнею, що лунатимуть до пізньої ночі. Мої підлеглі з проекту «Origins», зокрема мій виконавчий директор та моя права рука Амелія Хіґґінс та моя давня виконавча помічниця з Університету штату Аризона Джессіка Страйкер підставили плечі й надали мені необхідні підтримку й час, коли мені доводилося скорочувати свій робочий день заради праці над книжкою. А мої друзі з Фініксу Томас Гулон та Петті Барнз, які заохотили мене до написання цієї та інших книжок, за численними сніданками дали відгуки на кілька презентацій, які я розробив у процесі написання книжки.

Нарешті, коли настав час для фінальних зусиль, моя подруга Керол Блу, удова Крістофера Гітченса, та її батько Едвін Блу запропонували мені скористатися будиночком для гостей, де Крістофер написав багато есе й книжок, зокрема чудову «Бог не великий». Я не уявляю собі місця для завершення книжки, яке б надихало більше, і можу лише сподіватися, що остаточна версія несе в собі хоча б дещицю красномовства, яким так славилися твори Крістофера.

Про автора

Лоуренс М. Краусс є директором проекту «Origins» та професором-засновником відділення земних і космічних досліджень і фізичного факультету Університету штату Аризона. Краусс є всесвітньо відомим фізиком-теоретиком із широкими науковими інтересами, зокрема на стику фізики елементарних частинок і космології, де його дослідження стосуються виникнення всесвіту, природи темної матерії, загальної теорії відносності та нейтринної астрофізики. Він досліджував широкий спектр питань від природи зірок, що вибухають, до проблем виникнення всієї маси у всесвіті. Він є лауреатом численних міжнародних нагород як за наукові дослідження, так і за зусилля з покращення розуміння науки широким загалом. Краусс – єдиний фізик, який здобув найвищі нагороди всіх трьох американських фізичних товариств: Американського фізичного товариства, Американського інституту фізики та Американської асоціації викладачів фізики; крім того, 2012 року Національна наукова рада присудила йому престижну премію «За служіння суспільству» за його численні внески в державну освіту та покращення розуміння науки у всьому світі. Серед інших його нагород є премія «Roma» від міста Рим за 2013 рік та премія «Гуманіст року – 2015» від Американської гуманістичної асоціації.

Краусс є автором понад 300 наукових публікацій, а також численних популярних статей на тему науки й поточних подій. Він є коментатором та есеїстом для таких періодичних видань, як «New York Times» і «New Yorker» та регулярно з’являється на радіо, телебаченні й у документальних фільмах. Краусс був виконавчим продюсером та дійовою особою документального фільму «Невіруючі», присвяченого обговоренню науки та розуму з Річардом Докінзом. Він також фігурує в нових фільмах Вільяма Герцога «Сіль та вогонь» (Salt and Fire) і «Ось тобі й маєш» (Lo and Behold). Краусс є автором десяти науково-популярних книжок, зокрема «Фізика “Зоряного шляху”» (1995) та «Всесвіт із нічого» (2012), які стали бестселерами за версією газети «New York Times».

Краусс є членом Американського фізичного товариства та Американської асоціації сприяння розвитку науки. Він обіймає посаду голови ради спонсорів часопису «Bulletin of the Atomic Scientists» та є членом ради директорів Федерації американських науковців. Він допоміг заснувати сайт «ScienceDebate», який 2008, 2012 та 2016 року сприяв порушенню питань науки та розумної державної політики під час тогорічних президентських виборів. Відзначений часописом «Scientific American» як рідкісний науковий публічний інтелектуал, Краусс упродовж усієї кар’єри приділяв час питанням взаємодії науки й суспільства та був одним з ініціаторів національних заходів із наукової просвіти широких верств населення, забезпечення проведення розумної державної політики та захисту науки від нападів на різних рівнях.

Примітки

1

Переклад М. Білика. (Тут і далі прим. перекл., якщо не вказано інше.)

2

Тут і далі цитати зі Святого Письма в перекладі Івана Огієнка.

3

Переклад Дзвінки Коваль.

4

Переклад Дзвінки Коваль.

5

Людина, чиї досвід і знання охоплюють значну кількість різних предметних галузей.

6

Англійською «interfere» – звідси фізичний термін «інтерференція».

7

Л́іга плюща (англ. Ivy League) – асоціація восьми найстаріших американських університетів. Назва походить від гілок плюща, що обвивають старі будівлі в цих університетах. Вважають, що члени ліги відзначаються високою якістю освіти та певним снобізмом щодо інших американських університетів.

8

Гармонічні коливання елементів системи з фіксованими фазовими співвідношеннями.

9

Сомельє, або виночерпій, – працівник ресторану, відповідальний за придбання, зберігання вин і представлення їх клієнтові.

10

Переклад Максима Рильського.

11

Апроксимація – наближене вираження одних математичних об’єктів іншими, близькими за значенням, але простішими.

Content

Лоуренс М. Краусс
Таємниці походження всесвіту

Схвальні відгуки на адресу книжки «Таємниці походження всесвіту»

Пролог

Частина 1 Буття

Розділ 1 Від шафи до печери

Розділ 2 Бачити в темряві

Розділ 3 Ніби в дзеркалі, у світлі

Розділ 4 Туди й звідти

Розділ 5 Час не лише гроші

Розділ 6 Тіні реальності

Розділ 7 Всесвіт за всяку вигадку дивніший

Розділ 8 Складки часу

Розділ 9 Розпад і звалища

Розділ 10 Звідси й до нескінченності: проливаючи світло на Сонце

Частина 2  Вихід

Розділ 11 Часи відчаю та відчайдушні заходи

Розділ 12 Марш титанів

Розділ 13 Нескінченна кількість найпрекрасніших форм: симетрія завдає удару у відповідь

Розділ 14 Холодна застигла реальність: страховисько чи красуня?

Розділ 15 Життя всередині напівпровідника

Розділ 16 Стерпна важкість буття: симетрію порушено, фізику полагоджено

Частина 3 Об’явлення

Розділ 17 Не в тому місці в потрібний час

Розділ 18 Імла розсіюється

Розділ 19 Нарешті вільні

Розділ 20 Надираючи вакуум

Розділ 21 Готичні собори ХХІ століття

Розділ 22 Запитань більше, ніж відповідей

Розділ 23 Від пивної вечірки до кінця часів

Епілог Скромність космічного масштабу

Подяки

Про автора

Примітки