Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Множество лабораторных экспериментов и астрономических наблюдений установили, что для большей части, если не для всех прошедших 13,8 млрд лет массы фундаментальных частиц оставались постоянными, так что и значение хиггсовского поля оставалось стабильным. И все же, даже если существует лишь крохотная вероятность того, что в будущем хиггсовское поле может скачком принять другое значение, эта вероятность будет усилена громадными промежутками времени, которые мы теперь рассматриваем, и превратится в почти полную уверенность.

Физика, имеющая непосредственное отношение к хиггсовскому скачку, называется квантовым туннелированием; чтобы понять суть этого процесса, лучше для начала рассмотреть его в более простых условиях. Поместим маленький шарик в пустой бокал для шампанского, и, если никто не будет этот бокал трогать, логично будет ожидать, что шарик в нем и останется. В конце концов, он огражден со всех сторон и не обладает достаточной энергией, чтобы взобраться по стеклянным стенкам и сбежать. Не обладает он также достаточной энергией, чтобы пробиться прямо через стекло. Аналогично, если поместить электрон в ловушку, напоминающую по форме бокал для шампанского, оградив его барьерами со всех сторон, также можно будет ожидать, что он останется на месте. В самом деле большую часть времени так и происходит. Но иногда электрон ведет себя иначе. Иногда он исчезает из ловушки и заново материализуется уже снаружи.

Каким бы удивительным подобный трюк, достойный Гудини, ни был для нас, в квантовой механике это дело обычное.

Воспользовавшись уравнением Шредингера, можно вычислить вероятность того, что электрон будет обнаружен в той или другой локации, к примеру внутри или снаружи ловушки. Математика показывает, что чем серьезней ловушка — чем выше и толще ее стенки, — тем меньше вероятность того, что электрон улизнет. Но, и это ключевой момент, для того чтобы вероятность была нулевой, ловушка должна быть бесконечно толстой или бесконечно высокой; в реальном мире такого просто не бывает. А ненулевая вероятность, какой бы крохотной она ни была, означает, что, если подождать достаточно долго, рано или поздно электрон все же окажется на другой стороне.

Наблюдения это подтверждают. Именно такой переход через барьер мы и подразумеваем, когда говорим о «квантовом туннелировании».

Я описал квантовое туннелирование в терминах проникновения частицы сквозь барьер, изменения ее положения со «здесь» на «там», но это может быть и проникновение поля сквозь барьер, и изменение его значения с «этого» на «то». Такой процесс с участием хиггсовского поля может определить долгосрочную судьбу Вселенной.

В традиционных физических единицах нынешнее значение поля Хиггса равно 24616. Почему 246? Никто не знает. Но силы лобового сопротивления, которые обеспечивает хиггсовское поле с таким значением (вместе с конкретным способом взаимодействия каждой частицы с ним) успешно объясняет массы фундаментальных частиц. Но почему величина поля Хиггса остается стабильной миллиарды лет? Ответ: мы считаем, что значение поля Хиггса, подобно шарику в бокале или электрону в ловушке, ограждено со всех сторон внушительными барьерами: если бы величина поля Хиггса попыталась измениться с 246 на другое значение, большее или меньшее, этот барьер загнал бы ее обратно к первоначальному значению, примерно как шарик вынужден был бы вернуться на дно бокала, если бы кто-то качнул бокал. И если бы не квантовые соображения, значение хиггсовского поля всегда оставалось бы равным 246. Но, как обнаружил в середине 1970-х гг. Сидни Коулмен, квантовое туннелирование меняет ситуацию 17.

Точно так же, как квантовая механика позволяет электрону иногда туннелировать из ловушки, так она разрешает и величине поля Хиггса туннелировать сквозь барьер. Если бы это произошло, хиггсовское поле не изменило бы свое значение во всем пространстве одновременно. Вместо этого хиггсовское поле сделает свой ход в какой-то крохотной области, выделенной случайной природой квантовых событий; в этой области поле туннелирует через барьер и примет другое значение.

Затем, примерно как шарик, который туннелирует сквозь стенку бокала, опускаясь при этом ниже своего первоначального положения, значение хиггсовского поля тоже опустится на более низкий энергетический уровень. После этого поле в близлежащих локациях, отзываясь на манящий зов более низкой энергии, также будет совершать этот переход — начнется своеобразный эффект домино, благодаря которому возникнет расширяющаяся сфера, внутри которой значение хиггсовского поля будет уже измененным.