Если время, за которое происходят эти «американские горки», достаточно мало и мы не можем измерить параметры частиц непосредственно, квантовая механика и теория относительности не просто допускают такое дикое положение дел – они его требуют. Частицы, появляющиеся и исчезающие за такие короткие промежутки времени, что их невозможно измерить, называются виртуальными.

Разумеется, рассуждения о совершенно новом наборе частиц в пустом пространстве, которые еще и невозможно зарегистрировать, выглядят примерно как предположение, что на кончике иглы танцует великое множество ангелов. И идея эта была бы настолько же бесплодной, если бы эти частицы не порождали никаких других измеримых эффектов. Но, хотя прямо такие частицы пронаблюдать невозможно, оказывается, что их косвенное воздействие обеспечивает большинство характеристик Вселенной, которую мы сейчас наблюдаем. Мало того, действие этих частиц может быть рассчитано с большей точностью, чем получается при любом другом вычислении в науке!

Рассмотрим, к примеру, атом водорода – систему, ради объяснения которой Бор разрабатывал квантовую теорию, а Шрёдингер выводил свое знаменитое уравнение. Красота квантовой механики состоит в том, что она могла объяснить возникновение специфических цветов света, который водород излучает при нагреве, на основании того, что электроны, вращающиеся вокруг протона, могут существовать только на дискретных энергетических уровнях, а когда они перескакивают с уровня на уровень, то поглощают или испускают лишь фиксированный набор световых частот. Уравнение Шрёдингера позволяет вычислить эти частоты и получить почти в точности верный ответ.

Почти, но не в точности.

Когда спектр водорода исследовали более тщательно, оказалось, что он сложнее, чем считалось ранее, и между наблюдаемыми уровнями есть еще дополнительные мелкие расщепления, это называется тонкой структурой спектра. Эти расщепления были известны еще со времен Бора, существовало подозрение, что они имеют какое-то отношение к релятивистским эффектам, но это подозрение никто не мог подкрепить, пока ученые не получили в свое распоряжение полностью релятивистскую теорию. К счастью, уравнение Дирака дало более точные результаты, чем уравнение Шрёдингера, и позволило воспроизвести общую картину наблюдений, в том числе и тонкую структуру.

Казалось, все в порядке, но вот в апреле 1947 г. американский физик-экспериментатор Уиллис Лэмб и его студент Роберт Резерфорд провели эксперимент, который в других обстоятельствах мог бы показаться на удивление ненужным и неоправданным. Исследователи поняли, что у них хватает технических средств, чтобы измерить структуру энергетических уровней атомов водорода с точностью до одной стомиллионной. Почему они вообще решили этим заняться? Дело в том, что, когда экспериментаторы находят новый метод нечто измерить с точностью, значительно превосходящей прежние возможности, для них это зачастую становится вполне достаточным стимулом приниматься за работу. В результате таких экспериментов удавалось открыть буквально новые миры – например, когда в 1676 г. голландский ученый Антони Филипс ван Левенгук решил рассмотреть под микроскопом капельку якобы чистой воды и обнаружил, что в ней кишит жизнь. Однако в нашем случае у экспериментов была более практическая цель. До эксперимента Лэмба было невозможно достичь такой точности, чтобы подробно проверить предсказания Дирака.

Уравнение Дирака позволяло предсказать общую структуру новых наблюдений, но главный вопрос, на который хотел ответить Лэмб: предсказывает ли оно все детали? Это был единственный способ проверить теорию. И когда Лэмб проделал свой эксперимент, получилось, что теория Дирака дает неверный ответ на уровне примерно 100 частей на миллиард, что значительно превышало чувствительность его установки.

Казалось бы, погрешность минимальная, однако и предсказания самой простой интерпретации теории Дирака, и эксперимент не допускали двояких толкований – и при этом они не соответствовали друг другу.

В течение нескольких следующих лет лучшие умы теоретической физики подключились к делу и попытались разрешить это несоответствие. Решение пришло лишь после долгого и упорного труда, и в сухом остатке оказалось, что уравнение Дирака дает исключительно точный ответ, но только если учесть воздействие виртуальных частиц. Это можно наглядно проиллюстрировать следующим образом. В учебниках по химии атомы водорода принято изображать примерно так: в серединке протон, вокруг по орбите вращается электрон, перескакивая на разные уровни:

Однако стоит нам допустить возможность того, что пары «электрон-позитрон» способны на миг возникать из ничего, а потом аннигилировать, то пройдет совсем немного времени и атом водорода будет выглядеть вот так:

Справа я изобразил подобную пару, которая потом аннигилирует. Виртуальный электрон, будучи отрицательно заряжен, предпочитает держаться поближе к протону, а позитрон – отстраняться. Так или иначе из рисунка ясно, что подлинное распределение зарядов в атоме водорода ни в какой момент времени нельзя описывать как просто протон и один-единственный электрон.

Примечательно, что мы, физики, выяснили (после долгих и упорных трудов Фейнмана и его коллег), что можно использовать уравнение Дирака для вычисления влияния на спектр водорода всех возможных виртуальных частиц, способных мелькать в его окрестностях с какой угодно точностью. И при этом у нас получается самое лучшее, самое точное предсказание во всей науке. Рядом с ним меркнут все другие научные прогнозы. В астрономии самые свежие данные наблюдений реликтового излучения можно сравнить с теоретическими предсказаниями с точностью, скажем, в одну стотысячную, и это внушает уважение. Однако уравнение Дирака – с учетом предсказанного существования виртуальных частиц – позволяет рассчитывать параметры атома, которые будут совпадать с данными наблюдений на уровне одной миллиардной и даже лучше!

Следовательно, виртуальные частицы существуют.

Как ни трудно тягаться с потрясающей точностью, которая доступна физике атомов, виртуальные частицы играют ключевую роль и в другой области, которая, вероятно, ближе к теме нашей книги. Оказывается, они составляют львиную долю вашей массы, как и массы всего видимого вещества во Вселенной.

Одним из огромных шагов в понимании фундаментального устройства вещества, сделанных в 1970-е гг., стало создание теории, которая точно описывает взаимодействие кварков. Кварки – это частицы, из которых состоят протоны и нейтроны, а они, в свою очередь, составляют основу вещества, из которого сделаны и вы сами, и все, что вы видите. За этой теорией стоит сложная математика, и потребовалось несколько десятилетий, прежде чем были разработаны приемы, позволяющие с ней работать, особенно в режиме, когда сильное взаимодействие между кварками становится существенным. Были предприняты титанические усилия, в частности ученые создали сложнейшие компьютеры с параллельной обработкой данных, в которых одновременно задействованы десятки тысяч отдельных процессоров, а все ради того, чтобы рассчитать фундаментальные свойства протонов и нейтронов – частиц, которые (в отличие от кварков) мы можем зарегистрировать непосредственно.

В результате всех этих трудов мы теперь хорошо представляем, как выглядят внутренности протона. Там, скорее всего, содержится не только три кварка, но и еще много всякой всячины. В частности, в нем то и дело возникают и исчезают виртуальные частицы, соответствующие полям и частицам, которые переносят сильное взаимодействие между кварками. Вот схематическое изображение того, как все это выглядит. Это, конечно, не настоящая фотография, а просто художественная прорисовка по математическим законам, управляющим динамикой кварков и полей, которые их связывают. Причудливые формы и оттенки тени соответствуют силе полей, которые взаимодействуют друг с другом и с кварками внутри протона, где все время спонтанно возникают и исчезают виртуальные частицы.

Протон постоянно наполнен этими виртуальными частицами, и когда мы пытаемся оценить, какую долю массы протона они составляют, то оказывается, что кварки дают очень мало общей массы, а поля, созданные виртуальными частицами, составляют основную часть энергии покоя протона, следовательно – основную часть его массы покоя. Это же относится и к нейтрону, а значит, и к вам, поскольку вы состоите из протонов и нейтронов!

Итак, если мы можем рассчитать воздействие виртуальных частиц на пустое во всех остальных отношениях пространство внутри атомов и вокруг них, а также воздействие виртуальных частиц на пустое во всех остальных отношениях пространство внутри протонов, то почему бы нам не рассчитать эффекты от виртуальных частиц в по-настоящему пустом пространстве?

Видите ли, выполнить такой расчет гораздо сложнее. Дело в том, что когда мы рассчитываем влияние виртуальных частиц на атомы или на массу протона, то на самом деле вычисляем общую энергию атома или протона с учетом виртуальных частиц, потом вычисляем общую энергию, которую давали бы виртуальные частицы без атома или протона (то есть в пустом пространстве), и только потом вычитаем одно из другого, чтобы получить чистое воздействие на атом или протон. Мы так делаем, потому что, оказывается, если попытаться решить соответствующие уравнения, обе эти энергии получаются, строго говоря, бесконечными, но, если вычесть одну из другой, получится конечная разность, более того, она в точности соответствует измеряемому значению!