Мал. 3

Цей космос, описаний Аристотелем у книжці «На небесах», є образом світу, що лишався характерним для середземноморської цивілізації аж до кінця Середньовіччя. Це образ Всесвіту, що його Данте і Шекспір вивчали в школі.

Наступний стрибок, здійснений Коперником, ознаменував те, що можна назвати великою науковою революцією. Всесвіт Коперника не надто відрізняється від Аристотелевого:

Мал. 4

Але тут є ключова відмінність. Взявши за основу ідею, уже визнану в античності, Коперник дещо зрозумів і показав, що Земля не перебуває в центрі хороводу планет, а Сонце – в центрі замість неї. Наша планета стала такою самою, як інші планети, однією з кількох, які з великою швидкістю обертаються навколо своєї осі та навколо Сонця.

Наші знання зростали, прилади астрономів ставали кращими і більш точними, тож стало відомо, що Сонячна система – лише одна серед величезної кількості собі подібних і що Сонце – зірка, така як мільярди інших, безкінечно мала піщинка у величезній хмарі з сотень мільярдів зірок – галактиці (мал. 5).

Мал. 5

У 30-х роках ХХ століття астрономам вдалося точно визначити параметри туманностей – малих білуватих скупчень серед зірок.

Це дало розуміння того, що наша галактика є лише пилинкою у величезній хмарі галактик, що простягаються так далеко, як тільки може бачити око, навіть озброєне найпотужнішими телескопами. Світ став безмежним.

Ілюстрація внизу – не малюнок; це фотографія, зроблена за допомогою розміщеного на орбіті телескопа Габбла. Він дає незрівнянно чіткіше зображення неба, ніж хто-небудь міг раніше бачити за допомогою потужних телескопів: неозброєному оку це здавалося б малесеньким клаптиком абсолютно чорного неба. Крізь телескоп Габбла величезні віддалені об’єкти з’являються на світлині як пил. Кожна темна крапка – це зображення галактики, що містить сотні мільярдів сонць, подібних до нашого. Спостереження останніх кількох років показали, що навколо більшості цих зірок обертаються планети. Можливо, у Всесвіті є тисячі мільярдів мільярдів мільярдів планет, подібних до Землі. І хоч би в якому напрямку ми подивилися – з’являється ось що:

Мал. 6

Але ця безкінечна одноманітність – зовсім не те, що здається. Як я пояснював у першому уроці, простір не плаский, а викривлений. Нам складно уявити текстуру Всесвіту з його спалахами галактик, що рухаються на хвилях, подібних до морських, інколи таких бурхливих, що утворюються отвори, які ми звемо чорними дірами. Що ж, погляньмо знову на зображення, щоб презентувати цей всесвіт, поораний велетенськими хвилями.

Мал. 7

Ми знаємо, що цей безмежний еластичний всесвіт засіяний галактиками й ось уже пятнадцять мільярдів років створюється з надзвичайно гарячої та щільної малої хмарки. Щоб репрезентувати це бачення, нам не потрібно більше зображувати всесвіт, але слід зобразити його повну історію. У вигляді діаграми вона зображена на мал. 8:

Мал. 8

Всесвіт починався як маленька кулька, що вибухнула, набувши згодом теперішніх космічних розмірів. Це наш сучасний образ Всесвіту в найбільшому масштабі, який тільки може бути відомий. Чи є щось іще? Чи було щось перед тим? Можливо, так.

Я розкажу про це через пару уроків. Чи існують інші всесвіти, подібні до нашого чи абсолютно відмінні від нього? Ми не знаємо.

У всесвіті, описаному в минулому уроці, світло і тіла рухаються. Світло складається з фотонів, частинок світла, які інтуїтивно прозрівав Ейнштейн. Речі, що ми бачимо, складаються з атомів, кожен атом – із ядра, оточеного електронами, кожне ядро – зі щільно упакованих протонів і нейтронів. І протони, і нейтрони складаються з навіть іще менших частинок, які американський фізик Мюррей Геллман назвав кварками. Його надихнуло абсурдне слово в абсурдній фразі з твору Джеймса Джойса «Поминки за Фіннеганом» – «Три кварки для Мастера Марка!» Усе, чого ми торкаємось, складається з електронів і цих самих кварків.

Сила, що склеює кварки всередині протонів і нейтронів, генерується частинками, що їх фізики дещо жартома назвали «глюони»[1].

Електрони, кварки, фотони і глюони – компоненти всього, що «гойдається» у просторі навколо нас. Це і є елементарні частинки, що їх вивчає фізика елементарних частинок. До них ми можемо додати нейтрино, що мчать крізь всесвіт і мало взаємодіють з нами, а також бозони Гіггса, відкриті нещодавно в ЕОЯДі[2], на великому електронно-позитронному коллайдері в Женеві. Але їх зовсім не так багато, фактично менше ніж десять типів. Жменька елементарних інгредієнтів, що діють як деталі гігантського набору «Лего», з яких, власне, і сконструйована матеріальна реальність, що нас оточує.

Природа цих частинок та способи їхнього руху описуються квантовою механікою. Ці частинки не можна уявляти як камінчики або піщинки, вони – кванти відповідного поля, як фотони – кванти електромагнітного поля. Вони – елементарні збудники в рухливому субстраті, подібному до поля Фарадея і Максвелла, крихітні рухливі хвильки. Вони зникають і знову з’являються за дивовижними законами квантової механіки, де все, що існує, не є стабільним, а є нічим іншим, як стрибками від однієї взаємодії до іншої. І навіть якщо ми обстежимо маленький порожній клаптик всесвіту, де немає атомів, ми все ж відшукаємо там дрібнесенькі брижі від цих частинок.

Не існує справжньої порожнечі, абсолютно порожньої, навіть на поверхні найспокійнішого моря є легенькі, слабкі брижі і тремтіння. Так і поля, що формують світ, здатні до вкрай малих флуктуацій; і можна собі уявити, що частинки, які їх утворюють, мають коротке та ефемерне існування, постійно створюються та руйнуються у постійному русі.

Це світ, описаний квантовою механікою і теорією елементарних частинок. Ми опинилися далеко від механічного світу Ньютона і Лапласа, де дрібнісінькі холодні камінці рухаються вічно, по безкінечних усталених траекторіях у геометрично правильному космосі. Квантова механіка та експерименти з частинками навчили нас, що світ – це постійне невтомне роїння, постійне виникнення і зникнення ефемерних сутностей, сукупність вібрацій, як у психоделічному світі хіппі 60-х років.

Деталі теорії частинок вибудовувались поступово в 1950-х, 1960-х та в 1970-х роках великими фізиками Річардом Фейнманом і Маррі Гелл-Маном. Ця робота привела до дуже складної теорії, яка ґрунтується на квантовій механіці; теорії, що отримала не дуже романтичну назву «стандартна модель елементарних частинок». «Стандартна модель» була завершена в 1970-х роках після тривалої серії експериментів, що підтвердили всі припущення.

Заключне підтвердження відбулося у 2013 році з відкриттям бозона Гіггса.

Але попри серію успішних експериментів стандартна модель ніколи не сприймалась фізиками серйозно. Це теорія, на перший погляд часткова і зібрана з розрізнених частин. Вона складається з різних частин та рівнянь, зібраних без чіткого упорядкування. Певна кількість полів (але чому саме ці поля?) взаємодіють між собою з певними силами (але чому саме ці сили?), кожна визначається певними константами (але чому саме ці конкретні значення?), продемонстровані певні симетрії (але знову ж таки – чому саме ці?). Ми віддалилися від простоти рівнянь загальної відносності і квантової механіки.