9. Пустота и её рябь

Около двух десятков физиков, среди них Оппенгеймер и молодой Фейнман, съехались в начале июня 1947 года на закрытую встречу в гостиницу на острове Шелтер-Айленд, у восточного края Лонг-Айленда. Главной новостью стал доклад Уиллиса Лэмба из Колумбийского университета. Вместе с аспирантом Робертом Ризерфордом он взял микроволновую технику, отточенную на военных радарах, и направил её на пучок атомов водорода. Два уровня энергии, которые по лучшей теории того времени обязаны были совпадать, разошлись. Совсем чуть-чуть, как миллиметр на беговой трассе в три километра, но разошлись.

Ханс Бете возвращался с конференции поездом в Скенектади и считал прямо в вагоне. Его мысль была такой: электрон в атоме никогда не бывает один. Вокруг него всегда есть электромагнитное поле, и даже там, где нет ни света, ни зарядов, это поле не лежит совсем неподвижно, а слегка дрожит. Электрон всё время взаимодействует с этим дрожанием, и от этого его уровень чуть сдвигается. В расчёте вылезала бесконечность, и Бете спрятал её внутрь массы электрона, которую и так измеряют на опыте. Остаток оказался близок к числу Лэмба, а точным совпадение стало позже, когда из этой прикидки выросла квантовая электродинамика. Пустое место впервые повело себя как среда, которая сдвигает уровни в атоме.

Глубже книга не спускается: здесь корень дерева. Всё, что мы знаем о самом дне мира, сводится к полям. Поле заполняет всё пространство и умеет дрожать, а частица — наименьшая порция такого дрожания, одна рябинка. Типов ряби известно семнадцать: шесть кварков, шесть лептонов, среди которых электрон и три нейтрино, четыре переносчика сил и бозон Хиггса. Весь каталог известных деталей мира помещается на школьной доске. Что лежит под полями, не знает никто, и слово «элементарный» значит только одно: внутри пока ничего не видно.

Рябь — не шарик, и из этого следует вещь, которой у шариков не бывает. Все электроны Вселенной — рябь на одном и том же пруду, поэтому они не просто похожи, а неотличимы: их можно пересчитать, но нельзя пометить. Здесь, на дне, лежит и запрет Паули, который встречался нам уже трижды: в металле, в атоме и в ядре. Это не привычка отдельного электрона или кварка, а свойство ряби на полях вещества: две такие рябинки не встают в одно и то же состояние, где бы во Вселенной они ни оказались. На этом правиле держатся и таблица Менделеева, и стол, на который ты опираешься.

Главное, что появляется у полей и чего нет ни у одной частицы, — характер у пустоты. Одно из полей, поле Хиггса, не равно нулю даже там, где нет совсем ничего. Это похоже на лёд. Законы, по которым толкаются молекулы воды, одинаковы во все стороны, но замёрзший кристалл выбирает свои оси, и дальше всё в нём выстраивается вдоль них. С полем Хиггса так же: законы не предпочитают ни одного из равноправных вариантов, а пустота устроилась в одном из них.

Этот фон решает, кому что достанется. Переносчики слабой силы взаимодействуют с ним и тяжелеют, поэтому слабая сила глохнет почти сразу: если раздуть протон до высоты тридцатиэтажного дома, она будет доставать не дальше спичечного коробка. Фотон фона не замечает, остаётся без массы, и электромагнитная сила дотягивается куда угодно. Кварки и электрон тоже тяжелеют от фона, и это ответ на вопрос о пакете сахара и ложках электронов: их вес поле Хиггса оплачивает напрямую. Остальные килограммы, как мы видели, приносит кипение внутри протонов и нейтронов.

Фон был не всегда. В первые мгновения после Большого взрыва было слишком горячо, и когда Вселенная остыла, поле приняло нынешнее значение плавно, как густеет остывающий мёд, а не как щёлкает, замерзая, лужа. Тогда же переносчики слабой силы, кварки и электрон получили свои массы.

Догадаться о поле оказалось проще, чем увидеть на нём рябь. Идею за несколько месяцев одного года опубликовали три группы: Питер Хиггс в одиночку, Франсуа Энглер с Робером Браутом в Брюсселе и ещё трое физиков. Подсмотрели её у сверхпроводника: внутри него магнитное поле глохнет в тонком слое у поверхности, будто фотон там потяжелел. Рябь ловили на кольце под землёй у Женевы, которое пешком обходят за шесть часов. Четвёртого июля 2012 года в ЦЕРН два эксперимента объявили о новой частице. В зале старый Хиггс вытирал глаза, там же был Энглер, и в тот день они впервые встретились лично. Браут умер годом раньше. Между статьёй и открытием прошло сорок восемь лет, почти целая рабочая жизнь.

Самой пустоте физики до сих пор не могут свести счёт. Если сложить энергию её дрожания в лоб, выходит число, несравнимо большее той энергии, которую астрономы видят по ускоренному расширению Вселенной. Никто не считает такой подсчёт настоящим предсказанием, но правильного пока нет ни у кого. Спорят даже о том, где ошибка: в арифметике или в том, что мы понимаем под пустотой.

Ветви дерева развела разная дальнобойность сил. Слабую силу от электромагнитной отличил как раз фон Хиггса. Короткие силы действуют в малом: глюонное поле намертво запирает кварки в протоне. Дальние, электромагнитная и тяготение, собирают крупное. Электромагнитное поле вместе с запретом Паули складывает протон и электрон в атом, и по этой ветви пойдут химия, жизнь и разум. Тяготение правит в масштабе неба. На его ветви растут невидимый тёмный каркас, космическая паутина и вся наблюдаемая Вселенная как целое.

Зёрнами паутины, по стандартной картине, стали те же дрожания полей в самые первые мгновения, растянутые стремительным раздуванием молодой Вселенной до размеров космоса. Неровность вышла крошечной, но тяготению её хватило. Там, где вещества оказалось чуть больше, оно тянуло к себе соседей, и из этих сгущений со временем собралось всё, что светит на ночном небе.