Текст книги "В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса"
Автор книги: Иэн Сэмпл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 1 (всего у книги 18 страниц)
Предисловие
Cо склона горы, на которой стоит французская деревушка Крозе, окрестности просматриваются на многие мили вокруг. Внизу по полям рассыпаны деревни и фермы, между которыми петляют редкие узкие дороги. Казалось бы, в пейзаже нет ничего необычного, если бы не несколько современных зданий, образующих огромное кольцо. Вот они-то, эти здания, как раз очень необычны. Под некоторыми из них прорыты глубокие шахты, и именно там расположена самая крупная и сложная установка из когда-либо созданных человечеством. Если бы сказочный великан вырвал это кольцо из земли и поставил вертикально, оно бы поднялось над землей более чем на пять миль. И потребляет гигантская установка столько же электроэнергии, сколько современный крупный европейский город.
А называется это сооружение Большой адронный коллайдер (Atom Smasher, сталкиватель атомов) (БАК). БАК стоит миллиарды долларов, и управляют им сотрудники ЦЕРНа, Европейской организации по ядерным исследованиям, расположенной на окраине Женевы. Более двадцати стран в складчину заплатили за этого Левиафана, а чтобы его построить, потребовалось более десяти лет. Десять тысяч ученых в лабораториях, раскиданных по всему миру, участвуют в экспериментах, ставящихся на БАКе, и анализируют результаты, которые получают на этой гигантской установке.
Внутри коллайдера фрагменты атомов разгоняются почти до скорости света и сталкиваются друг с другом. Эти срежессированные искусственные акты воссоздают условия, существовавшие в первые мгновения после Большого взрыва, давшего начало Вселенной. В ярких вспышках первобытной энергии ученые ищут разгадки самых глубоких тайн мироздания.
Одна из этих тайн, возможно наиболее интригующая, мучит ученых уже почти полвека. Дело в том, что пока никто не может объяснить, почему вещество имеет массу. Теоретики каждый раз подходят к решению, казалось бы, очень близко, но всегда что-то ускользает. Разбейте какой-нибудь предмет на кусочки, потом разотрите их в пыль, потом в атомы, потом во фрагменты атомов, и в конечном итоге вы дойдете до мельчайших строительных блоков материи. У всех у них есть масса, но вот почему, не знает никто.
В 1964 году некий физик, имея перед собой только ручку и бумагу, наткнулся на решение, которое большинство ученых сегодня считают ответом на этот вопрос. Случилось это в Эдинбурге, а звали того физика Питер Хиггс. Хиггс предположил существование невидимого поля, которое проникает в каждый уголок космоса. В нулевой момент времени поле находилось в “спящем” состоянии, но, как только новорожденная Вселенная стала расширяться и охлаждаться, оно ожило и во всеуслышание заявило о своем присутствии. В этот момент строительные блоки материи превратились из невесомых в весомые. Частицы обрели массу. Последствия этого события мы видим вокруг себя. Они – основа нашего существования.
Без этого поля Вселенная была бы наполнена множеством частиц, носящихся вокруг со скоростью света. Атомов и молекул не существовало бы. Космическая пыль никогда не собралась бы вместе и не сформировала галактики, звезды и планеты; не существовало бы знакомой нам структуры Вселенной, и не появились бы условия для возникновения жизни.
Один ученый в ЦЕРНе однажды сказал мне, что поле Хиггса похоже на снег, который выпал ночью и покрыл землю в этом идиллическом уголке на французско-швейцарской границе. Представьте себе снежное поле, раскинувшееся бесконечно далеко во всех направлениях. Лучи света легко скользят по нему: они проносятся, как бы не замечая снега. Некоторые частицы “обуты в снегоступы” и движутся менее стремительно. Другие “идут босиком” и проваливаются, их удел – тащиться со скоростью улитки. Масса частицы – просто мера того, насколько она тормозится полем.
Большой адронный коллайдер был разработан, чтобы прояснить для всех раз и навсегда истинную природу поля, придуманного Питером Хиггсом. В коллайдере должны создаваться возмущения поля Хиггса, которые являются признаком появления частиц, называемых бозонами Хиггса. Это как раз те “снежинки”, которые составляют наше космическое “снежное” поле, и недостающий окончательный аргумент, необходимый ученым для ответа на вопрос, волнующий всех, – почему вещество обладает массой.
ЦЕРН – не единственное место, где охотятся за бозонами Хиггса. На окраине Чикаго физики из Фермилаба, где расположен второй по мощности коллайдер в мире, тоже ищут частицы Хиггса. Для ученых двух лабораторий по обе стороны Атлантики эта многолетняя гонка значит невероятно много.
Но существует более важный стимул найти частицу Хиггса, чем честолюбие ученых. Эти частицы —последний недостающий элемент Стандартной модели, свода законов, которые описывают все известные частицы во Вселенной. Все больше ученых считают, что частицы Хиггса не только раскроют тайну массы, но и откроют ворота в скрытый мир частиц и сил, в который мы только-только входим.
Из-за неуловимого характера и огромного значения частицы Хиггса один физик, нобелевский лауреат, дал ей потрясающее название – частица Бога. Прочитав книгу, вы увидите, что существует немного тем, способных так сплотить физиков, как их отвращение к этому названию. Их чувства по этому поводу могут сравниться только с удовольствием журналистов, пишущих о науке, – для них сие красивое название стало поистине спасительным.
Эта книга является историей о том, как Вселенная обрела массу, как идея, записанная в блокноте почти полвека назад, оказалась в эпицентре всеобщей охоты, поглотившей миллиарды долларов, охоты, в которой задействованы тысячи ученых и самые крупные и сложные научные установки из всех, когда-либо построенных на Земле. И с какой бы стороны ни посмотреть на эту историю, она выглядит весьма массивно и весомо.
Глава 1
Долгая дорога в Принстон
Поездка из Северной Каролины в Приннсстон может занять большую часть дня, да и то, если вам повезет. Путь лежит вдоль Восточного побережья на север, вокруг необъятной глади Чесапикского залива и дальше на Вашингтон, Балтимор и Филадельфию. И вот вы наконец попадете в город, который когда-то стал родным для величайшего физика современности – Альберта Эйнштейна.
Питер Хиггс упаковал кое-какую одежду и папку с теоретическими выкладками и вместе со своей женой Джоди и шестимесячным сыном Кристофером вышел к машине. Уложив чемодан, он стал внимательно изучать дорожный атлас. Наконец подходящий путь выбран. Машина мягко тронулась с места и поехала на северо-восток по трехполосным улицам в направлении автострады. Было раннее утро, и город медленно оживал под мягкими лучами весеннего солнца.
Это было 14 марта 1966 года, спустя год после того, как Хиггс, физик из Университета Эдинбурга, приехал работать в университет городка Чапел-Хилл в Северной Каролине 11
Университет Северной Каролины в Чапел-Хилле, основанный в 1780-х годах, – старейший государственный университет в США.
[Закрыть] . На его статьи обратил внимание выдающийся ученый, который пригласил его дать семинар в Принстонском институте перспективных исследований, одном из ведущих мировых научных центров. Семинар был обречен на жаркие дискуссии: Хиггс обнаружил явление, которое могло объяснить происхождение массы!
Поездка в Принстон оказалась не простым академическим визитом. Она выдвинула Хиггса в центр внимания научного сообщества и положила начало крупнейшей охоте в истории современной физики. Охоте с использованием установок, стоящих миллиарды долларов и занимающих десятки километров подземных туннелей, и тысяч ученых, десятилетиями пытающихся найти частицы, на которых строится теория Хиггса. Мантра этих ученых проста: найдем частицы Хиггса, и тайна возникновения массы будет раскрыта...
На протяжении веков мыслители даже не представляли, что масса существовала не всегда, по крайней мере в современном смысле слова. Слово “масса” описывало то, сколько вещества, материи находилось в предмете, а слово “материя” являлось не более чем красивым термином для обозначения вещества. Кусок горной породы обладал большей массой, чем буханка хлеба такой же величины (если только у пекаря не случился неудачный день), и этим было все сказано. Понятие массы было настолько интуитивно ясно и осязаемо, что никто всерьез над ним и не размышлял.
Смутное и неполное понятие массы, возникшее в древности, было развито в Средние века. Эгидий Римский (Жиль де Ром), выдающийся теолог и один из самых влиятельных мыслителей конца XIII века, сделал важный концептуальный шаг, проведя различие между размером объекта и количеством вещества, содержащегося в нем 22
Описание богословской интерпретации понятия массы и объема см. в кн.: Pierre Duhem. Medieval Cosmology: Theories of Infinity, Place, Time, Void, and the Plurality of Worlds. University Of Chicago Press, 1987.
[Закрыть] . Глыба льда, к примеру, явно изменяла форму, когда сначала, растаяв, превратилась в воду, потом, испарившись, превратилась в пар, который затем, сконденсировавшись, замерз и снова превратился в твердый кусок. Тем не менее, как говорил Эгидий, количество вещества на всех этапах превращений оставалось прежним. Это наблюдение, несомненно сделанное в процессе оживленной богословской дискуссии о пресуществлении (превращении хлеба и вина в Тело и Кровь Христову), отражает современные определения объема и массы.
В начале XIV века на понятие массы обратил внимание парижский философ Жан Буридан. Он описывал, как ведет себя подброшенный объект, если ему придать импетус (что-то вроде импульса), зависящий от того, сколько вещества этот предмет содержит, и скорости, с которой он был подброшен 33
Edward Robert Harrison. Cosmology: The Science of the Universe. Cambridge University Press, 2000.
[Закрыть] . В XVI веке немецкий астроном Иоганн Кеплер пошел еще дальше – он утверждал, что планеты движутся по стационарным орбитам, а не носятся, сталкиваясь, по всему пространству, как бильярдные шары, благодаря инерции, возникающей из-за их огромных масс.
Несмотря на гениальные прозрения философов и астрономов прошлого, термин “масса” не использовался систематически до 1687 года, когда Исаак Ньютон заложил основы классической механики в своей великой книге “Principia” (“Начала”) 44
Опубликованные под латинским названием “Principia Mathematica”, ньютоновские “Математические начала натуральной философии” состоят из трех томов.
[Закрыть] . По Ньютону, масса – количество материи, зависящее от объема и плотности объекта. Масса объекта определяет его инерцию или сопротивляемость при воздействии на него, а также то, насколько сильно он подвержен силе тяжести. С помощью этих определений Ньютон сформулировал основные законы движения.
Однако у Ньютона было гораздо более глубокое и интуитивное представление о массе и материи, чем то, что он описал в “Principia”. Он считал, что объекты, существующие в мире, состоят из бесчисленных крошечных частиц, созданных Богом, которые никогда и никем не могут быть разрушены. Частицы, имеющие различные формы и размеры, собираются вместе, образуя различные материалы. Все, что человек способен сделать, – это научиться придавать новые формы конгломератам исчезающе малых частиц.
Почти через двадцать лет после публикации “Начал” Ньютон позволил себе порассуждать на тему природы материи в своем следующем великом трактате – в “Оптике”. Он писал: “Я думаю, Бог вначале создал вещество из твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц... настолько твердых, что они никогда не распадутся на куски и не износятся” 55
Написанная по-английски “Оптика” – вторая великая книга Ньютона. Она включает теорию отражения, преломления и дисперсии света (анализ и синтез цветов).
[Закрыть] . Размышления Ньютона о материи были не так уж далеки от истины. И сегодня ученые представляют материю состоящей из частиц, которые практически не поддаются разрушению. Физикам потребовалось более полувека, чтобы выяснить, из каких основных строительных блоков собираются атомы. Различные комбинации этих блоков дают разнообразие химических элементов Периодической таблицы – атомов, из которых образуются различные вещества: металлы, кристаллы, жидкости и газы. Соединяясь друг с другом, атомы образуют бесконечное разнообразие молекул.
Ученые называют основные строительные блоки материи фундаментальными или элементарными частицами; по определению их нельзя разбить на более мелкие части. Первая такая частица была обнаружена в 1897 году Дж. Дж. Томсоном в Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете 66
Полная история открытия электрона дана в кн.: Е. A. Davis. J.J. Thomson and the Discovery of the Electron. Taylor & Francis, 1997.
[Закрыть] . Томсон, как и многие физики того времени, был заинтригован природой светящихся лучей, которые возникали в стеклянной трубке, заполненной газом при низком давлении, когда напряжение подавалось на электроды, расположенные внутри трубки. Таинственные лучи выходили из катода, отрицательно заряженного электрода, и шли на анод, электрод, заряженный положительно.
Томсон начал серию экспериментов по исследованию этих загадочных “катодных лучей”. В одном эксперименте он использовал 15-дюймовую стеклянную трубку, покрытую с одной стороны фосфоресцирующей краской. Томсон изменил форму анода, проделав в нем щель, поэтому часть лучей, выходящих из катода, должна была пройти через эту щель и, попав на люминофор, высветить на нем яркое пятно. А потом Томсон вставил в стеклянный сосуд на пути лучей второй набор электродов, распоолложенных в перпендикулярной по отношению к лучам плоскости. Подключив эти электроды к гальваническому элементу, ученый обнаружил, что пятно отклонилось от центра в сторону положительного электрода второй пары.
Дальнейшие эксперименты показали, что катодные лучи представляли собой поток крошечных отрицательно заряженных частиц. Томсон назвал их электронами (термин, введенный ирландцем Джорджем Джонстоном Стоуни за двадцать лет до этого) и предположил, что они являются непременными элементами всех известных ученым атомов. Вдохновленный своим открытием, Томсон предложил модель атома, прозванную “сливовым пудингом”: в соответствии с ней атомы представляют собой положительно заряженные шарики, напичканные крошечными отрицательными частицами – электронами.
Но оказалось, что атомный “пудинг” Томсона не соответствовал тому, что сотворила природа 77
По поводу опровержения Резерфордом томсоновской атомной модели см. кн.: Richard Morris. The Last Sorcerers: The Path from Alchemy to the Periodic Table. Joseph Henry Press, 2003.
[Закрыть] . Идея развалилась, когда Эрнест Резерфорд, уроженец Новой Зеландии, объявил во всеуслышание, что атомы в основном – пустые! В 1911 году он уже точно знал, что почти вся масса атома сосредоточена в центральном положительном ядре. Позднее Резерфорд, исследуя атомное ядро, доказал существование внутри него положительно заряженных протонов.
В середине 1930-х годов физики были уверены, что знают все основные строительные блоки вещества. Итак, ядро атома состоит из протонов и незаряженных нейтронов – еще одного типа частиц (исключение из правил – атом водорода) 88
Нет атома проще, чем атом водорода. Он содержит ядро, состоящее из одного протона, и один электрон.
[Закрыть] . Нейтроны обнаружил в 1932 году английский физик Джеймс Чедвик 99
См. также кн.: Andrew Brown. The Neutron and the Bomb: A Biography of Sir James Chadwick. Oxford University Press, 1997.
[Закрыть] . Положительно заряженное ядро окружено отрицательно заряженными электронами, и в целом атом нейтрален. Это было правильным, но неполным представлением. Прошли годы, и ученые обнаружили, что протоны и нейтроны – вовсе не элементарные частицы! В отличие от электронов протоны и нейтроны построены из еще меньших частиц, названных кварками.
Однако физикам потребовалось довольно много времени, чтобы признать реальность кварков. Дело в том, что их никто и никогда не видел. Американские физики Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг выдвинули концепцию кварков в 1964 году, причем независимо друг от друга 1010
Более подробно об истории кварков см. кн.: Andrew Watson. The Quantum Quark. Cambridge University Press, 2004, а также кн.: M. Y. Han. Quarks and Gluons, World Scientific, 1999.
[Закрыть] . Они поняли, что поведение протонов и нейтронов можно объяснить, если допустить, что каждый из них содержит тройку кварков. В 1966 году, когда Хиггс приехал в Принстон, эта теория еще была спорной. Потребовалось еще несколько лет, чтобы кварки стали считаться такими же элементарными частицами, как электроны.
Примерно за полвека после открытия электрона физики выявили около двухсот различных видов частиц, большинство из которых состояли из пары и триплета других субатомных частиц 1111
Для более полного представления попробуйте прочитать кн.: Frank Close, Michael Marten and Christine Sutton. The Particle Odyssey: A Journey to the Heart of Matter. Oxford University Press, 2004.
[Закрыть] . “Размножение” частиц стало сбивать с толку, но в середине 1970-х была создана система, которая стала предметом особой гордости физики элементарных частиц. Эта система вошла в науку как Стандартная модель (название такое прозаическое, что даже обидно). Она постулирует, что вся известная материя, все вещество во Вселенной строится из всего лишь нескольких истинно элементарных частиц 1212
Полную историю открытий, лежащих в основе Стандартной модели, можно найти в кн.: Hoddeson et al. 1999 (см. библиографию).
[Закрыть] .
Согласно Стандартной модели, существует двадцать четыре фундаментальных кирпичика, из которых строится вся материя. Среди них шесть типов (или ароматов) кварков (называемых верхними (up), нижними (down), истинными (top, truth), прелестными (beauty), очарованными (charm) и странными (strange), каждый из которых подразделяется на три вида в зависимости от свойства, известного как их цвет 1313
Частицы вещества образуют три поколения, которые отличаются только массой. Первое поколение кварков – это верхние (up) и нижние (down) кварки, второе поколение включает в себя очарованные (charm) и странные (strange) кварки, а третье поколение – прелестные (beauty или bottom) и истинные (truth или top). В каком-то смысле второе и третье поколения кварков – это более тяжелые кузены кварков первого поколения. Первое поколение лептонов – это электроны и электронное нейтрино. Второе, более тяжелое, поколение включает в себя мюон и мюонное нейтрино. Третье поколение лептонов – тау-лептон и тау-нейтрино. Мюон и тау-лептон – тяжелые версии электрона.
[Закрыть] . Цвет может быть красным, зеленым или синим, но эти определения не имеют никакого отношения к визуальным ощущениям. Кварки различных цветов притягиваются друг к другу. Следующая шестерка типов частиц материи называется лептонами, они образуют семью, включающую в себя электроны и призрачные, почти безмассовые частицы, называемые нейтрино, которые проходят почти беспрепятственно через все, что встречают на своем пути. В нашей Вселенной вся известная нам стабильная материя построена из кварков и электронов.
Другие частицы, описываемые Стандартной моделью, не являются строительными блоками материи, они выполняют другую работу. Четыре из них, отвечающие за перенос взаимодействий, существующих в природе, называются бозонами 1414
Частицы – переносчики взаимодействия в Стандартной модели – бозоны, а именно фотоны (электромагнитное взаимодействие), глюоны (сильное взаимодействие) и W– и Z-бозоны (слабое взаимодействие). Пятый в этом ряду – бозон Хиггса. Термин “бозоны” появился в честь индийского физика Сатиендра Нат Бозе. Более подробную информацию о Бозе см. в кн.: Satyendra Nath Bose: His Life and Times, edited by Kameshwar С Wali. World Scientific, 2009.
[Закрыть] . Мы не проваливаемся сквозь пол благодаря электромагнитному взаимодействию, которое переносится фотонами – квантами, “частицами света”. Внутри атомных ядер кварки склеиваются “сильным взаимодействием”, носителями которого являются частицы, метко названные глюонами (от английского glue – клей). Другие частицы, называемые W– и Z– бозонами, являются носителями сил, определяющих слабые взаимодействия, они вступают в дело, когда распадаются некоторые радиоактивные элементы 1515
Из всех фундаментальных сил природы слабые силы, вероятно, наименее известны. Все частицы, за исключением глюонов и фотонов, ощущают действие слабых сил. Они действуют на столь коротких расстояниях, что по сути дела являются контактными. Слабая сила принимает участие в радиоактивном бета-распаде. когда радиоактивные элементы испускают электроны или позитроны высоких энергий. При обмене W-бозонами тип кварка может измениться, или – говоря иначе – изменится аромат.
[Закрыть] . Стандартную модель венчает еще одна частица, теоретически предсказанная Питером Хиггсом и названная в его честь бозоном Хиггса.
Казалось бы, в Стандартной модели есть все, что нужно, чтобы ответить на вопросы об источнике массы. Если все известные нам стабильные вещества состоят из кварков и электронов, то резонно предположить, что массы этих элементарных частиц – наименьшие возможные единицы массы. Тогда легко посчитать, какую массу имеет любой объект, просто просуммировав вклады всех миллиардов кварков и электронов, содержащихся в нем. Однако все не так просто.
Когда при суммировании получается неправильный ответ, это обычно означает, что мы что-то упустили. Вот, к примеру, протон. Он состоит из двух верхних кварков и одного нижнего. Если вы сложите их массы, то получите всего 1 процент массы протона. Но откуда же остальные 99 процентов его массы? То же самое происходит и с нейтроном, который содержит один верхний кварк и два нижних. Если ньютоновское определение массы, согласно которому масса – просто мера количества вещества, было бы правильным, то суммирование масс кварков дало бы правильный ответ. Но Ньютон знал только часть правды. Недостающая масса берется откуда-то еще.
Сложная это штука – масса. А насколько сложная, стало ясно в 1905 году, когда 26-летний Альберт Эйнштейн, работая днем в патентном ведомстве в Берне, в Швейцарии, а вечерами занимаясь физикой, написал и опубликовал статью под названием “Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?”. Забегая вперед, скажем, что ответ положительный. Эйнштейн показал, что масса и энергия взаимозаменяемы, более того – масса может рассматриваться как мера содержания энергии в теле. Для научного сообщества эта идея прозвучала как гром среди ясного неба. Она – прямое следствие специальной теории относительности Эйнштейна 1616
Ньютоновские законы движения прекрасно описывают объекты (или частицы), которые движутся значительно медленнее, чем свет. Но при скоростях, близких к скорости света, физические законы резко изменяются, и важную роль начинает играть теория относительности Эйнштейна. Эта теория является следствием двух утверждений: во-первых, скорость света одинакова для всех зрителей, независимо от их относительных скоростей, а во-вторых, законы физики одинаковы во всех инерциальных (неускоряющихся) системах отсчета. Иными словами, законы физики одинаковы, находитесь ли вы в стационарной лаборатории или мчитесь в пространстве с постоянной скоростью.
[Закрыть]. Именно тогда Эйнштейн вывел уравнение m = Е/с 2, где масса предмета равна его энергии, деленной на квадрат скорости света. Переписав, получаем всем хорошо знакомое уравнение Е = mс 2, из которого легко увидеть, что из-за гигантских значений скорости света (около 300 000 километров в секунду) даже в объектах с маленькой массой содержится огромное количество энергии.
Открытие Эйнштейна в определенной степени объясняет, почему масса протона больше, чем сумма масс его частей. Масса трех кварков внутри протона равна всего лишь одному проценту массы протона, но они удерживаются вместе благодаря чрезвычайно сильным взаимодействиям. Основная часть массы протона приходится на энергию движения кварков внутри протона и энергию их связи. Это приводит нас к замечательному выводу: большая часть массы любого объекта —от вашей любимой собаки до мобильного телефона – определяется огромной энергией, которая в нем заключена и благодаря которой объект остается единым целым.
Взаимосвязь между массой и энергией, открытую Эйнштейном, лучше всего демонстрируют гигантские ускорители, которые физики используют для изучения субатомных частиц. Столкните две частицы друг с другом на достаточно высоких скоростях, и осколки при столкновении, скорее всего, будут содержать более тяжелые частицы, чем исходные. Энергия, выделяющаяся при столкновении, практически мгновенно переходит в массу новых частиц.
Совместными усилиями Ньютон и Эйнштейн заложили основы нашего понимания природы масс, но в 1960-х годах стало ясно, что не хватает чего-то еще. Ученые никак не могли объяснить, откуда элементарные частицы получили свою массу. Именно эту тайну теория Хиггса, кажется, объяснила. И именно с ее помощью ученые надеются найти полное объяснение происхождения массы всей известной нам материи.
Питер Хиггс прибыл в Чапел-Хилл 6 сентября 1965 года. Оставив Джоди, которая была в то время беременна, у ее родителей в городе Урбана, штат Иллинойс, он принялся обустраивать их новый дом. Начав работу в университете, он приступил к своей первой большой работе о происхождении массы. 24 сентября, когда он трудился в факультетской библиотеке, его позвали к телефону – голос в трубке сообщил, что Джоди только что родила их первого сына, Кристофера.
Закончив статью о массе в ноябре, Хиггс послал один экземпляр в редакцию журнала и еще несколько – физикам, которым, как он думал, она будет интересна. Теория Хиггса описывала критический момент рождения Вселенной, хотя тогда, в 1965 году, это было еще не совсем понятно. Молодой ученый показал, что поначалу строительные блоки материи вообще ничего не весили. Элементарные частицы были совершенно невесомыми. Затем, через доли секунды после Большого взрыва —события, которое запустило жизнь во Вселенной, —что-то случилось 1717
Ученые подсчитали, что уже за 1 пикосекунду, или одну триллионную долю секунды, после Большого взрыва Вселенная достаточно остыла, чтобы включилось поле Хиггса.
[Закрыть] . Некое энергетическое поле, распространенное во всем пространстве, вдруг включилось, и в тот же самый момент безмассовые частицы, которые носились вокруг со скоростью света, были захвачены этим полем и приобрели массу. И чем сильнее они чувствовали воздействие поля, тем тяжелее становились.
Время начало отсчет 13,7 миллиарда лет тому назад, когда случился самый первый взрыв 1818
Ученые в целом соглашаются, что Вселенной 13,7 млрд лет. А что происходило до этого? Теория до сих пор ничего не может сказать по этому вопросу, и мы, возможно, никогда этого не узнаем. Стивен Хокинг сравнил вопрос о том, что происходило до Большого взрыва, с вопросом о том, что находится к северу от Северного полюса.
[Закрыть] . Вселенная тогда была микроскопическим сгустком огромной энергии, слишком перегретая, чтобы в ней действовали известные нам сейчас законы природы. Но в мгновение ока (если бы там поблизости был кто-нибудь, кто мог бы мигнуть оком) Космос вырос до размеров волейбольного мяча и охладился достаточно (примерно до 10 тысяч триллионов градусов Цельсия), чтобы поле Хиггса ожило. И тут же первые строительные блоки материи были укрощены, они сделались тяжелыми и медлительными, как мухи в супе.
Поле Хиггса определило структуру Вселенной и ее способность поддерживать жизнь в том виде, в котором она существует. Без поля элементарные частицы, строительные блоки материи, вели бы себя как фотоны – кванты света. Частицы бы не собирались в атомы, которые мы наблюдаем сейчас. Не возникли бы химические элементы 1919
Исчезновение поля Хиггса или изменение его напряженности имело бы драматические последствия, например, для химии. Электрон приобретает массу с помощью поля Хиггса. Без этого поля электроны остались бы безмассовыми и двигались бы слишком быстро, чтобы атомные ядра захватили их на атомные орбиты. Периодическая система элементов перестала бы существовать.
[Закрыть] . Не появились бы звезды и планеты, и наша Солнечная система, как и другие уголки Вселенной, осталась бы навсегда безжизненной пустыней.
В основе теории Хиггса – частица, связанная с этим массообразующим полем. Так называемый бозон Хиггса в определенном смысле есть часть поля, оставшаяся после того, как оно наделило частицы массами 2020
В Стандартной модели поле Хиггса является сложным и состоит из двух нейтральных и двух заряженных компонентов. Два заряженных компонента дают массу положительно и отрицательно заряженным W-бозонам. Один нейтральный компонент дает массу Z-бозону. Бозон Хиггса является квантом оставшегося нейтрального компонента поля.
[Закрыть] . Самая большая мечта ученых сегодня —показать, что эта частица существует, и тем самым доказать теорию Хиггса.
Вскоре после того, как Хиггс разослал ученым свою статью, в его офис в Чапел-Хилле пришел первый отклик —от Фримена Дайсона. (Во время Второй мировой войны англичанин Дайсон служил в команде бомбардировщиков Королевских ВВС. Он пересек Атлантику в возрасте 23 лет, сжимая в руке письмо, в котором было написано, что он признан лучшим математиком Англии. За истекшее время он стал знаменитым ученым и профессором принстонского Института перспективных исследований.)
Послание было дружественным и более чем лестным. Дайсон говорил, что получил огромное удовольствие от последней работы Хиггса —она прояснила ему вопросы, над которыми он ломал голову последнее время. Он попросил Хиггса провести весной семинар в институте и на нем рассказать про свою теорию. Хиггс был ошарашен и принял предложение не раздумывая.
Восторги Дайсона по поводу статьи Хиггса не означали, что того ждала легкая поездка. В Институте перспективных исследований в то время работали, пожалуй, лучшие физики в мире. Этот знаменитый научный центр основал в 1930-х годах известный американский филантроп Луис Бамбергер. Самый известный сотрудник института, Альберт Эйнштейн, проработал там последние двадцать пять лет своей жизни, пытаясь объяснить, как возникли силы, существующие в природе. Работал там и австро-американский логик Курт Гёдель – пересматривал пределы человеческого познания. Он часто досаждал Эйнштейну, заявляя, что его знаменитая теория допускает путешествия во времени 2121
Более подробную информацию о работе Гёделя см. в кн.: Gregory J. Chaitin. Thinking about Godel and Turing: Essays on Complexity, 1970-2007. World Scientific, 2007.
[Закрыть] . Отец современных компьютерных наук Джон фон Нейман в этом институте занимался переносом математической стратегии игры в покер на политическую стратегию, которая должна была помочь выиграть холодную войну 2222
Более подробную информацию о работе фон Неймана о теории игр см. в кн.: William Poundstone. Prisoner’s Dilemma: John von Neumann, Game Theory and the Puzzle of the Bomb. Anchor Books, 1993.
[Закрыть] .
Но ключевой фигурой в институте был Роберт Оппенгеймер, возглавлявший Манхэттенский пронкт по созданию атомной бомбы. Он стал главой института в 1946 году и тоже внес свой вклад в фантастическую ауру этого места. Оппенгеймер славился своим вспыльчивым характером и острым языком и мог проявить себя не лучшим образом, случись ему появиться на еженедельном институтском семинаре. Нередко он запугивал не слишком уверенных в себе докладчиков, жестоко высмеивая их, непрерывно поправляя и не давая возможности ответить. За это Дайсон его не любил, и время от времени между двумя учеными после окончания семинаров возникали перебранки. Дайсон сказал мне однажды: “Оппенгеймер всегда старался мне объяснить, что бы я сказал, если бы был так же умен, как он” 2323
Интервью с автором, август 2008.
[Закрыть] .
Хиггс вел машину дальше, думая о своем докладе на завтрашнем семинаре. Пожалуй, аудитория будет сильно отличаться от тех, перед которыми он выступал раньше 24 . Погрузившись в свои мысли, он почти забыл о том, что ведет машину! Хиггс съехал на обочину, сделал несколько глубоких вдохов и попытался успокоиться. Какое счастье – впереди ученый увидел дорожный знак. Поворот на Принстон был уже через милю. Он почти у цели.
Институт перспективных исследований находится на расстоянии мили от Принстона, а его территория представляет собой сад, раскинувшийся на 800 акров. Вместо того чтобы поехать прямо в институт, Хиггс сделал круг по городу, а потом припарковался у почты. Зайдя, он перекинулся парой слов со служащим, и тот вынул из конторки конверт с выпущенной в честь дня рождения Эйнштейна 8-центовой маркой (Эйнштейн родился как раз в этот день, только в 1879 году) и проштемпелевал его. На марке была фотография великого физика, сделанная 20 лет назад Филиппом Халсманом, другом семьи Эйнштейна. (Халсман провел некоторое время в австрийской тюрьме по подозрению в убийстве своего отца во время прогулки в Альпах. На самом деле Халсман-старший сам упал в пропасть, это была трагическая случайность, но свидетелей не было, и Филипп попал в тюрьму. Позже его освободили благодаря вмешательству Эйнштейна.) Хиггс, увидев марку, возмутился – там было написано, что Эйнштейн – “известный американец”. Хотя Эйнштейн и принял американское гражданство в 1940 году, Хиггс считал его по духу европейцем. Тем не менее он подумал, что марка с Эйнштейном понравится Николасу Кеммеру, его другу и наставнику из Эдинбургского университета, и отправил конверт в Шотландию.
Уже приближался вечер, когда Хиггс подъехал к институту и встретился с Фрименом Дайсоном. Вскоре, беседуя с новым другом, Хиггс забыл о страшном волнении, пережитом по дороге в Принстон. А потом Хиггсы отправились в приготовленную для них квартиру и, уставшие, упав на кровать, сразу провалились в столь необходимый им в тот вечер сон.
Доклад Хиггса был запланирован на 4.15 вечера следующего дня. Войдя в аудиторию, Питер увидел Дайсона, стоящего у кафедры, – его доклад был первым. Дайсон собирался говорить об очень серьезных вещах – про устойчивость материи, про то, почему предметы вокруг нас остаются цельными, несмотря на то что содержат бесчисленное количество частиц. Он рассказывал собравшимся о чрезвычайно мощных, но тонко сбалансированных силах, благодаря которым, к примеру, книга у вас в руках, учитывая огромное количество энергии, заключенной в ее атомах, не разрывается на части, а наша одежда самопроизвольно не взрывается и не обращается в миллион субатомных фрагментов.
Закончив доклад, Дайсон предложил задавать вопросы. Как и следовало ожидать, они оказались весьма острыми. Темпераментные дискуссии были в традициях института, недаром еженедельные семинары заработали интригующее название “беспорядочные семинары” 2525
Там же.
[Закрыть] . Они проводились каждую неделю, но вместо того, чтобы объявить докладчика и тему заранее, аудитория – и сам докладчик – узнавали обо всем в день семинара. Организовано это было таким образом: когда участники семинара собирались в зале, по рукам пускали шляпу с бумажками, и каждый вытягивал свою. Тому, кому доставалась последняя бумажка, и предоставлялась честь выступить перед благородным собранием. Идея заключалась в том, чтобы заставить всех находиться в тонусе и быть готовыми либо сделать свой доклад, либо “поджарить на гриле” того, кто выйдет на трибуну.
Когда вопросы были исчерпаны, Дайсон объявил перерыв на чай и сказал, что их гость, Питер Хиггс, будет следующим докладчиком. Хиггс последовал за толпой в столовую и за чашкой чая разговорился с немецким физиком Клаусом Хеппом. Они уже встречались однажды на летней школе в Шотландии в 1960 году. Во время беседы Хепп упомянул работу трех очень уважаемых ученых, которая должна вот-вот быть опубликована 2626
Daniel Kastler, Derek W. Robinson and Andre Swieca. Conserved currents and associated symmetries; Goldstone’s theorem’. Communications in Mathematical Physics. Vol. 2. No. 2 (1966). P. 108-120.
[Закрыть] . “Она нанесет сокрушительный удар по вашей теории, – заявил он. – В ней все правильно, а вот у вас что-то не так”.
Хорошо, по крайней мере, что на том семинаре не было Оппенгеймера. Хиггс понятия не имел, что грозный директор института болен раком и спустя три месяца после семинара официально подаст в отставку 2727
Оппенгеймер ушел в отставку с поста директора в 1966 году после того, как ему поставили страшный диагноз – рак горла. Он умер 18 февраля 1967 года в возрасте 62 лет.
[Закрыть] . Но вот кончился перерыв, и Питер начал доклад, шаг за шагом объясняя суть своей теории. Дайсон внимательно слушал – он сразу понял, что работа Хиггса красива 2828
Интервью с автором, август 2008 года.
[Закрыть] . Как только гость закончил говорить, тут же взлетели вверх несколько рук.
Хотя Хиггс волновался перед семинаром, в его манере говорить ощущалась несомненная уверенность. Он прекрасно знал уравнения, на которых строилась его теория, чувствовал их глубинный смысл. Он понимал, что выдвинутые им идеи затрагивали самую сущность бытия. Это не означало, конечно, что они верны. Многие вещи, которые теоретически возможны, не реализуются в природе. Но если его теория не содержала ошибок, она, по крайней мере, могла претендовать на описание происхождения массы.
