На лужайке Эйнштейна. Что такое ничто, и где начинается всё - Гефтер Аманда

Согласно Лейбницу: «…Даже если бы сказали, что вся эта жизнь не более чем сон, а наблюдаемый мир не более чем фантазма, то я бы ответил, что этот сон или эта фантазма были бы достаточно реальны, если бы мы, хорошо пользуясь разумом, никогда не обманывались ими»[17]. Ну, извините, господин Лейбниц, но я искала чего-то немного большего, чем то, что можно назвать «достаточно реальным»! Я ищу окончательную реальность и не собираюсь соглашаться ни на что меньшее.

Несколько месяцев спустя мне позвонили из New Scientist. Они хотели, чтобы я написала статью о группе физиков на Лонг-Айленде, которой удалось создать файербол. Я уже однажды писала для них статью о петлевой квантовой гравитации – по просьбе их главного редактора Майкла Брукса, с которым познакомилась в автобусе в Дейвисе. Несмотря на все предупреждения о почти неизбежном отказе принять статью, Брукс не только взял ее, но и вынес на обложку. А теперь меня просят написать еще одну? Слишком хорошо, чтобы быть правдой.

– Материал сложный, связан с физикой элементарных частиц, – пояснила редактор, с которой я никогда не встречалась. – Мы все решили, что вы относитесь к тем немногим авторам, которые могли бы с этим справиться. Вы готовы попробовать?

Мы все решили?

Я прокашлялась, чтобы скрыть волнение:

– Да, конечно.

– Они подозревают, что у них получилась кварк-глюонная плазма, – продолжила она.

– Ах да, кварк-глюонная плазма, – сказала я. – Очень интересно!

Положив трубку, я сразу же приступила к работе. Мне нужно было позвонить физикам на Лонг-Айленд и попросить их подробно рассказать об эксперименте. И мне необходимо было обсудить это с другими физиками, работающими в этой области, чтобы понять, насколько эти наблюдения важны для познания Вселенной. Но в первую очередь надо было разобраться, что это за чертовщина, кварк-глюонная плазма.

Эта ночь была самой сюрреалистической из всех моих сюрреалистических ночей.

Я уже свернулась калачиком в постели с книгой о кварках, когда зазвонил телефон. Это был отец, звонивший из гостиницы в Чикаго, где он посещал симпозиум радиологического общества.

Я заложила страницу и закрыла книгу:

– Что случилось?

– Меня пригласили на прием в Филдовский музей сегодня вечером, – сказал он. – Пока все занимались в атриуме коктейлями, я пошел посмотреть музей. Он был уже закрыт, так что посетителей не было. И оказалось, что сейчас там проходит выставка, посвященная Эйнштейну! Я был один в комнате, наполненной вещами Эйнштейна – его рукописями, фотографиями, письмами. Это было так странно. Было очень тихо, и я оставался наедине со всеми его вещами. Почему-то я не мог отвести глаз от его компаса. Мне захотелось схватить его и убежать.

– Могу себе представить! – сказала я.

Когда он повесил трубку, я улыбнулась: у меня перед глазами встала картина, как мой отец разбивает стеклянную витрину и, прихватив компас, убегает сквозь толпу растерянных врачей-радиологов, а рой музейных охранников гонится за ним, крича: «Держите его!» А потом он бы летел обратно на восточное побережье. И затем – это же все-таки были мои грезы – я представила, как он упаковывает компас в небольшую коробку, обернув его поклоном, и передает его мне.

Эйнштейну было всего четыре или пять лет, когда его отец подарил ему этот компас. Это был один из тех предметов, которым каким-то образом было суждено изменить мир. Наблюдая, как невидимая сила каждый раз снова направляла стрелку компаса на север, Эйнштейн убедился, что «в нем есть что-то глубоко скрытое». И он провел остаток своей жизни, пытаясь найти это.

Аналогичным образом мой отец тоже предложил мне впервые задуматься над тем, что реальность – это не то, что мы видим. Только в моем случае это был не компас, а идея, и вместо того чтобы стать Эйнштейном, я сделалась горе-журналистом, у которого больше вопросов, чем ответов. Все же – мне пришло в голову только сейчас – лучший подарок, который родители могут сделать своему ребенку, – это тайна.

Квантовая хромодинамика, или КХД, – это теория, описывающая, как глюоны связывают кварки друг с другом в группы по три, образуя протоны и нейтроны, которые можно найти в ядре каждого атома. Кварки, как я узнала, бывают трех возможных цветов (метафорически): красного, синего и зеленого. Если сложить все три цвета, то получится нейтральный белый. В нашем мире группы кварков всегда должны быть нейтрального цвета. Это означает, что они обязаны существовать только группами, связанные глюонами. В свободном виде одиночные кварки не встречаются. Все это верно до тех пор, пока вы не начали их подогревать. При экстремальных температурах, например тех, которые образовались после Большого взрыва, связи глюонов ослабевают, кварки высвобождаются, и материя растворяется в первичной плазме.

Для достижения таких экстремальных температур физики с помощью коллайдера для релятивистских тяжелых ионов, или RHIC, в Брукхейвенской национальной лаборатории разгоняют ядра золота почти до скорости света и затем сталкивают их вместе, высвобождая при этом сотню миллиардов электрон-вольт энергии, в результате чего образуется файербол в триста миллионов раз горячее, чем поверхность Солнца. Он живет всего 10—23 секунды. Но в эту долю секунды кварки пребывают в свободном состоянии.

Это было волнующее открытие, но плазма оказалась весьма непохожа на то, что физики ожидали. Вопреки их расчетам, кварки и глюоны двигались, по-видимому, упорядоченным образом. Это вовсе не было хаотическим свободным движением газа: они, скорее, плавали синхронно, что характерно для жидкости. Причем по своей вязкости эта жидкость ближе к идеальной, чем любая другая известная жидкость – она почти в двадцать раз более жидкая, чем вода.

Это было любопытно, но по-настоящему мое внимание зацепило сказанное Иоганном Рафельским. Он был экспертом по кварк-глюонной плазме, и я позвонила ему, чтобы обсудить скрытые смыслы открытия.

– Удержание кварков объясняется структурой вакуума, – сказал он мне. – Поэтому надо было расплавить вакуум, растворить связи между кварками, позволяя им свободно двигаться.

Расплавить вакуум? Эта фраза не выходила у меня из головы. Она была пугающе странной – как вы можете расплавить ничто? Ладно, я знала, что вакуум на самом деле не был «ничто». Ничто – это, по-видимому, состояние с нулевой энергией. Но ноль – слишком точное число для квантовой механики. Квантовое ничто активно бурлит благодаря соотношению неопределенности между энергией и временем: чем короче интервал времени, тем больше энергия, которая может спонтанно возникнуть из глубины вакуума только для того, чтобы в мгновение ока снова исчезнуть. Эта энергия может принять форму виртуальной пары частицы и античастицы, которые рождаются из кипящего вакуума и затем, встретившись, аннигилируют друг с другом. Но как же эти виртуальные флуктуации вакуума связывают кварки вместе? Мне придется еще разобраться в этом, – и побыстрее.

Из всего, что я узнала о квантовой хромодинамике, в которую по уши погрузилась, именно вакуум, как и сказал Рафельский, удерживает кварки, не позволяя им удаляться друг от друга. Благодаря квантовой неопределенности в глюонном поле рождаются виртуальные глюоны. Но дело в том, что глюоны – даже виртуальные – несут заряд. Задача глюонов – склеивать кварки за счет так называемого сильного взаимодействия. Глюоны распознают кварки по их цветовому заряду. Фотоны действуют аналогичным образом, перенося электромагнитное взаимодействие между электронами, которые они определяют по их электрическому заряду. Но, в отличие от фотонов, которые не переносят никакого электрического заряда, глюоны имеют цвет и, помимо кварков, взаимодействуют и сами с собой, и с другими глюонами. В кипящем вакууме виртуальные глюоны прилипают друг к другу, скручиваются и деформируются, образуя сложные структуры – структуры, которые создают для кварков барьер, делая невозможным их свободное существование в вакууме. Стиснутые в кипящем море виртуальных глюонов, кварки жмутся друг к другу – красный, синий и зеленый. Отсутствие цвета защищает их от опасных клейких глюонов. Бесцветный конгломерат из трех кварков образует протон или нейтрон, а из них, в свою очередь, составляются массивные ядра атомов. Если бы не структура вакуума, атомы бы развалились.