Мы все состоим из волн. Чем люди похожи на гитарные струны

Реальность часто кажется более странной и ошеломляющей, чем самый вдохновенный вымысел. Например, пространство может деформироваться, растягиваться и покрываться рябью, как резина, учил нас Эйнштейн. И все же мы, жители и пассажиры Земли, путешествуем по этому пространству со скоростью 240 км/c, не ощущая ни малейшего сопротивления. Как такое может быть?

Этим вопросом Мэтт Страсслер, физик-теоретик из Гарвардского университета, открывает свою новую книгу «Волны в невероятном море: как повседневная жизнь возникает из космического океана». Его ответ: наш материальный мир — стулья, деревья, собаки и люди — существует не «внутри» Вселенной, а состоит «из» самой Вселенной, из тех же волн, которые в совокупности составляют пространство.

Как мы понимаем эти волны? С помощью квантовой теории поля, которая, по утверждению Страсслера, лежит в основе реальности.

Согласно этой теории, все в нашей Вселенной состоит из полей, очень похожих на привычные нам электрические и магнитные поля. Частицы — протоны, электроны и бозоны Хиггса — являются возбуждающими элементами этих полей.

Страсслер в своей книге рассказывает о том, как эти поля создаются и приводят к появлению частиц.

Это сложные концепции, и все же Страсслер пишет о них просто, проводя параллели между волнами и вибрациями, которые мы знаем в повседневной жизни, в частности, в музыке (в которой он большой эксперт), и волнами и частицами современной физики. Местами он использует восхитительно емкие фразы, которые схватываются интуитивно.

Страсслер также приводит часто задаваемые вопросы о физике в форме бесед, которые он вел со своими студентами и друзьями-неспециалистами. Благодаря такой необычной структуре повествование становится увлекательным и дает читателю возможность разрешить любые сомнения относительно сложных концепций, которые он объясняет. Например, Страсслер рассказывает, как разговорился в кафе о на первый взгляд парадоксальной идее, что, поскольку все движение относительно, мы можем быть неподвижными и в то же время находиться в движении: вы не чувствуете землю, на которой стоите, и при этом мчитесь вокруг Солнца со скоростью 240 км/c. Каждый факт физической Вселенной должен соответствовать этому обманчиво простому на первый взгляд принципу относительности, который, подобно нити Ариадны, проходит через все повествование, чтобы не дать нам заблудиться.

Страсслер использует принцип относительности и закон инерции, чтобы опровергнуть распространенное заблуждение о бозоне Хиггса, элементарной частице, которая долгое время была в центре внимания. Частица возникает из поля Хиггса — и суть в том, что это своего рода вязкий суп, который, благодаря своему сопротивлению движению, «придает объектам массу». Если бы этот принцип был верен, это означало бы, что поле замедляет движение объектов, тогда как на самом деле он позволяет им двигаться по инерции в соответствии с законом инерции. В противном случае поле Хиггса замедляло бы движущиеся объекты, но не оказывало бы никакого влияния на неподвижные объекты, что противоречило бы принципу относительности.

Страсслер полагает, что правильнее было бы рассматривать поле Хиггса как «придающий жесткость агент», который взаимодействует с полями множества различных частиц и превращает их из гибких в жесткие, подобно тому, как гравитационное поле превращает гибкий маятник, который раскачивается повсюду, в качели, раскачивающиеся с метрономической точностью. Те самые вещи, которые мы называем частицами, в словаре Страсслера следовало бы называть «волнистыми частицами» — волнообразными проявлениями полей, подобными различным гармоническим тонам скрипичной или гитарной струны, когда ее дергают.

Поле Хиггса взаимодействует с «резонансными частотами» других полей. (Резонансная частота — это собственная частота, с которой вибрирует поле, если настроить его и оставить в покое.) Поле Хиггса интенсивно взаимодействует с волновыми полями с высокими резонансными частотами, например, как у топ-кварка и электронов, которые затем уплотняются, поэтому можно сказать, что их массы определяются механизмом Хиггса. Напротив, поле Хиггса почти не взаимодействует с волновыми полями с низкими резонансными частотами, такими как поля глюонов, которые удерживают вместе кварки, из которых состоят протоны и нейтроны.

Последний факт объясняет, почему повседневные объекты, такие как человеческие тела, которые получают почти всю свою массу от протонов и нейтронов, едва ли имеют какое-либо отношение к бозону Хиггса: 99% их массы образуется за счет энергии взаимодействия между кварками и глюонами.

«Волны в невероятном море», по-видимому, рассчитана в основном на читателя, который довольно мало знает о физике. Страсслер уделяет довольно много времени объяснению простых понятий, таких как волны и инерция, которые многим читателям популярных книг по физике уже должны быть понятны, и повторное изучение которых может показаться утомительным. Но, как это ни парадоксально, он опускает большую часть истории современной физики, что вынуждает его сжимать другие ключевые идеи.

Возьмем симметрию. Она тесно связана с существованием законов сохранения энергии и других фундаментальных свойств. Но в книге не рассказывается о том, почему нарушение этой симметрии для электромагнитных и слабых взаимодействий приводит к возникновению механизма Хиггса. Исторически это было значительным событием, приведшим к открытию поля Хиггса, и упоминание о нем могло бы прояснить важный принцип.

Тем не менее, усилия Страсслера осветить фундаментальные аспекты устройства Вселенной заслуживают похвалы, и читать его интересно: чтобы понять, как поля взаимодействуют в нашей обычной жизни, нужно осознать, что в них нет ничего обычного. Как пишет Страсслер, все мы — «существа, похожие на волны», и «Вселенная поет везде, в каждой вещи».