Все это довольно умозрительные теории. Существует некоторое эмпирическое подтверждение экспоненциального расширения Вселенной на ранней стадии, которое оставило свой след в реликтовом излучении, заполняющим Вселенную, однако до сих пор нет доказательств ранней хаотической стадии. Если окажется, что хаотическая теория инфляции верна, тогда многое из того, что мы наблюдаем в мире, будет следствием случайности нашего конкретного местоположения, случайности, которую невозможно объяснить, кроме как тем фактом, что это единственное место из всех, где возможна жизнь.

12. Бозон Хиггса и последствия

Осенью 2011 г. редакторы глянцевого британского ежемесячного журнала Prospect узнали, что в знаменитой всеевропейской лаборатории CERN варится что-то важное. Там искали частицу, известную как бозон Хиггса, существование которой было предсказано нашей очень успешной теорией элементарных частиц и взаимодействий — Стандартной моделью, к созданию которой я имел непосредственное отношение. Редакторы попросили меня написать заметку об этом поиске и о том, что последует за открытием, если оно действительно состоится. Моя статья была опубликована в декабрьском номере Prospect 2011 г. Состоявшееся позже открытие бозона Хиггса обсуждается в главе 13 этой книги.

Физики, работающие в Швейцарии на Большом адронном коллайдере CERN, увлечены поиском частицы нового типа, названной бозоном Хиггса. На карту поставлено гораздо больше, чем просто попытка добавить еще одну позицию в меню известных типов элементарных частиц, состоящем из кварков, электронов и т. д. Экспериментальное обнаружение бозона Хиггса подтвердит теорию, описывающую нарушение симметрии между двумя фундаментальными силами природы, в результате которого элементарные частицы получают массу. А если бозон Хиггса не удастся обнаружить, то это будет еще более захватывающим событием, которое вернет нас назад к работе по объяснению всего этого. Чтобы показать, насколько высоки ставки, я сначала должен сказать пару слов о том, что физики подразумевают под терминами «симметрия» и «нарушение симметрии».

Симметрия физических законов — это свойство законов сохранять свою форму при определенных изменениях системы отсчета. Огромная часть физики XX в. была посвящена открытию таких симметрий. Все началось в 1905 г., когда Эйнштейн с помощью своей специальной теории относительности установил, что все физические законы, включая те, которые используются для измерения скорости света, остаются неизменны, когда мы наблюдаем за природой, находясь в движущейся лаборатории.

Однако симметрии физических законов природы не ограничены только теми изменениями, которые связаны с наблюдениями отсчета пространства и времени, как в СТО. Законы природы могут также оставаться неизменными, когда мы заменяем в наших уравнениях частицы одного типа на частицы другого типа. Например, атомное ядро состоит из частиц двух типов: протонов и нейтронов. Еще в 1930-х гг. было обнаружено, что законы, описывающие сильное взаимодействие, удерживающее эти частицы вместе в атомном ядре, не изменяют свою форму при замене протонов на нейтроны или даже при замене протонов (и нейтронов) на смешанные состояния, когда, например, частица на 30 % протон (нейтрон) и на 70 % — нейтрон (протон).

Дело не в том, что физики в 1930-е гг. уже знали законы, описывающие сильное ядерное взаимодействие. Если бы они их не знали, тогда протон-нейтронная симметрия оказалась бы только побочным эффектом. Важность симметрий состоит в том, что мы можем выявить их в экспериментах и использовать для постановки новых экспериментальных задач, даже если не знаем законы, которым они подчиняются. Например, даже не понимая природу ядерного взаимодействия, физики смогли на основании протон-нейтронной симметрии сделать вывод о том, что энергии нижних уровней ядер бора-12 и азота-12 должны быть одинаковы и равны энергии одного из возбужденных состояний углерода-12, поскольку все три этих ядерных состояния могут быть превращены одно в другое заменой протонов и нейтронов на смешанные состояния протонов и нейтронов.