К началу XX в. физики догадались, что энергия в этих волнах существует в виде отдельных порций, фотонов. Последние со скоростью света летают от одного электрически заряженного тела к другому, вызывая притяжение или отталкивание. Следовательно, все в мире электромагнитные явления, будь то отклонение стрелки компаса или прорезающая небо молния, происходят от обмена фотонами между заряженными частицами.
Помимо электромагнетизма есть еще в природе две силы, играющие роль в ядерных масштабах, - слабое и сильное взаимодействия, - и гравитация, сила, заставляющая яблоки падать, а планеты двигаться. Этими четырьмя силами определяется, как материальные тела притягиваются, отталкиваются и видоизменяются. Когда меняется тип движения - автомобиль плавно начинает ехать и медленно поворачивает, или машину внезапно встряхивает, и она останавливается, визжа тормозами, - к этому причастны какие-то взаимодействия из четырех.
Каждая из сил возникает от обмена своими переносчиками или набором переносчиков. Обмениваясь ими, две частицы притягиваются, или отталкиваются, или же меняют свои свойства. Чем-то напоминает игру в фрисби: там тоже, чтобы поймать тарелку, подходишь поближе - и невольно отступаешь назад, когда она у тебя в руках. Метание предмета туда-сюда не дает игрокам слишком далеко разойтись.
Вдохновившись триумфом Максвелла, обвенчавшего электричество и магнетизм, многие физики решили выступить в роли сводников для других сил. Как хороший хозяин старается на празднике наладить отношения между гостями, так и ученые, пытаясь установить связи, сделали ставку на поиск общего. Могут ли все четыре взаимодействия описываться одной системой уравнений?
На сегодняшний день самым крупным продвижением в этом направлении является сплав электромагнетизма и слабых сил, совершенный независимо друг от друга американскими физиками Стивеном Вайнбергом и Шелдоном Глэшоу и пакистанским физиком Абдусом Саламом. Объединенное взаимодействие получило название электрослабого. На пути к нему встретился, однако, далеко не один подводный камень.
В частности, серьезную проблему представлял широкий разброс в массах переносчиков каждой из сил. У фотонов нулевая масса, в то время как частицы, ответственные за слабое взаимодействие, довольно тяжелые. Из-за этого, кстати, радиус действия слабых сил гораздо короче. Чтобы лучше почувствовать разницу между электромагнитными и слабыми переносчиками, представьте себе, что вы сначала выполняете подачу мячом, легким, как пушинка, а потом вам дают свинцовый шар для боулинга. Он, конечно, вряд ли долго задержится в воздухе и камнем рухнет на пол. Разве можно назвать честным состязание между силами, поставленными в столь неодинаковые условия?
Тем не менее иногда неравенство возникает из имевшей место гармонии. Симметрия, бывает, рушится, и коллекционеры древних скульптур хорошо это знают. Могло так случиться, что ранняя Вселенная в течение считаных мгновений после ослепительного Большого взрыва, положившего ей начало, недолго пребывала в состоянии гармонии. Все силы находились в идеальном равновесии, пока что-то не нарушило этот баланс масс. И тогда одни переносчики стали тяжелее других. Так, может быть, сегодняшний разброс в силе взаимодействий явился результатом какого-то вездесущего процесса, разрушающего симметрию?
В 1964 г. британский физик Питер Хиггс предложил элегантный механизм для объяснения спонтанного нарушения первоначальной симметрии Вселенной. Этот механизм постулирует наличие особой сущности, так называемого поля Хиггса, которое пронизывает весь Космос, устанавливая фундаментальный масштаб энергии. (Поле математически описывает, как свойства силы или частиц меняются от точки к точке.) Оно содержит в себе своего рода стрелку, или фазовый угол, которая может указывать на любую точку окружности. При невероятно высоких температурах, сопровождавших момент рождения Вселенной, положение стрелки размыто. Она ведет себя наподобие быстро вращающейся рулетки. Но когда температура падает, колесо рулетки встает как вкопанное, и стрелка останавливается в случайном месте. В итоге изначальная симметрия поля Хиггса, не отдававшего предпочтение ни одному из углов, спонтанно нарушается путем выбора одного конкретного угла. А поскольку полем Хиггса определяется вакуумное состояние Вселенной (состояние с наименьшей энергией), нарушение симметрии неизбежно влечет за собой превращение так называемого ложного вакуума (наименьшая энергия не равна нулю) в истинный (с нулевой энергией). Из знаменитого завета Альберта Эйнштейна Е = тс 2 (энергия равна массе, помноженной на скорость света в квадрате) тогда следует: полученная энергия - все равно что масса, которая и распределяется между разными элементарными частицами, включая переносчиков слабого взаимодействия. Одним словом, останавливаясь, хиггсовская «рулетка» придает массу частицам, в том числе отвечающим за слабые силы, и последние становятся тяжелее, хотя фотон по-прежнему не имеет массы. За его удивительную способность снабжать массой другие частицы «хиггс» прозвали «божественной частицей».