Текст книги "В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса"
Автор книги: Иэн Сэмпл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 18 страниц)
Это была блестящая идея —использовать атомные спектры для понимания структуры атома. Облучи атом светом, и он будет поглощать волны, длина которых соответствует энергии, необходимой, чтобы забросить электроны на более высокую орбиту. А когда электроны снова падают вниз, выделяется энергия и испускается свет той же длины волны, что и при поглощении. По длинам волн поглощенного и излучаемого света можно определить энергетическую структуру электронных орбит атома.
По мере того как работа Гейзенберга продвигалась вперед, стала проясняться механика атома 4646
Размышления Гейзенберга во время его визита на Гельголанд см. в кн.: Subrahmanyan Chandrasekhar. Truth and Beauty: Aesthetics and Motivations in Science. University Of Chicago Press, 1990.
[Закрыть] . Волнуясь, он делал множество ошибок, нервничал. “Я был сильно взволнован, – писал он о своем пребывании на Гельголанде. – У меня было ощущение, что сквозь пелену множества беспорядочных атомных явлений я увидел удивительно красивую картину, и тогда я почувствовал легкое головокружение”. Наконец Гейзенберг завершил первый расчет, выполненный с помощью своей новой (матричной) техники. Случилось это в 3 часа ночи. Слишком возбужденный, чтобы спать, он вышел из дома и побрел к южной оконечности Гельголанда, вскарабкался на скалу, которая торчала над морем, и дождался восхода солнца.
Когда Гейзенберг вернулся в Геттинген, Макс Борн просмотрел его математические выкладки и понял, что теория верна. Вскоре они втроем (третьим стал молодой теоретик Паскуаль Иордан) доработали теорию, превратив ее в то, что потом стало известно как матричная механика. Называлась она так потому, что используемые термины записывались в виде таблиц или матриц.
Работа Гейзенберга была первым настоящим вариантом квантовой механики, а вскоре появился на свет и второй. В преддверии Рождества 1925 года австрийский физик Эрвин Шрёдингер, тогда работавший в Университете Цюриха, снял на несколько недель живописный заснеженный домик в Австрийских Альпах. Там он начал работать над собственной квантовой теорией. Шрёдингер, как всегда, пригласил с собой в путешествие свою старинную подругу, оставив жену Анни дома 4747
См., например, кн.: Martinus Veltman. Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. World Scientific. 2003.
[Закрыть] . Анни была не из тех, кто любит жаловаться, да и Шрёдингер для нее всегда был выше критики. Кроме того, у нее тоже был любовник – ближайший друг и коллега мужа по университету математик Герман Вейль.
Шрёдингер использовал совершенно иной подход, чем Гейзенберг. Его отправной точкой была идея, выдвинутая годом ранее французским физиком Луи де Бройлем, который утверждал, что электроны ведут себя как волны 4848
Более подробно о мыслях Шрёдингера по поводу идей де Бройля и формулировки квантовой теории см. в кн.: Graham Farmelo. It Must Be Beautiful: Great Equations of Modern Science. Granta, 2003.
[Закрыть] . Шрёдингер провел в трудах все рождественские каникулы – каждый шаг вперед давался ох как нелегко! 27 декабря он написал своему другу мюнхенскому физику Вилли Вину, лауреату Нобелевской премии 1911 года: “На данный момент я борюсь с новой атомной теорией. Если бы я знал лучше математику! Однако я настроен весьма оптимистически в отношении этой штуки и рассчитываю, что, если только... смогу справиться с ней, будет очень красиво”.
Ко времени возвращения в Цюрих Шрёдингер превратил расплывчатую концепцию де Бройля в новую версию квантовой механики. Вместо непонятных гейзенберговских матриц Шрёдингер в своей теории использовал известное физикам уравнение, очень похожее на волновое. Впервые ученые получили точную квантовую формулу, которую они могли бы использовать для описания частиц в любом атоме или молекуле. (Кем бы ни была спутница Шрёдингера в то Рождество, трудно удержаться и не поразмышлять, на такое ли романтическое приключение она рассчитывала...)
Появление двух версий квантовой механики привело к тому, что новая эра в физике началась некрасиво 4949
Дирак прочитал первую статью Шрёдингера по волновой механике, и она ему не понравилась. Он предпочитал матричную механику Гейзенберга и исходил из нее, создавая в своей докторской диссертации общий формализм квантовой механики.
[Закрыть] . Между Гейзенбергом и Шрёдингером всегда существовала неприязнь. Увидев матричную механику, Шрёдингер сказал, что ее вид “обескуражил, если не отвратил его”. Оценка Гейзенбергом теории Шрёдингера, известной под названием “волновая механика”, была не более лестной: “Чем больше я думаю о ней... тем более отталкивающей ее нахожу”. Теории раскололи физическое сообщество на два враждующих лагеря, причем без серьезной на то причины. Выяснилось, что, хотя теории выглядели на бумаге очень разными, по существу они различались мало. Математик может вывести одну из другой. Судьба оказалась более благосклонной к теории Шрёдингера, и она была принята большинством физиков – не в последнюю очередь потому, что математический аппарат, использованный в ней, был им уже хорошо знаком.
При всей своей красоте уравнение Шрёдингера имело существенный недостаток. Казалось, оно не согласуется со специальной теорией относительности Эйнштейна, которая совершила революцию в умах ученых в 1905 году. Недостаток был серьезным: если использовать уравнение Шрёдингера для описания частиц с очень большими энергиями, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, результаты будут заведомой чушью.
Объединение квантовой механики с теорией относительности считается одним из наиболее важных достижений физики XX века. Эту заключительную высоту взял Поль Дирак, сын эмигранта из Швейцарии, который изучал инженерное дело в Бристольском университете на год раньше Томаса Хиггса 5050
Дирак удачно соединил квантовую теорию со специальной теорией относительности Эйнштейна, в результате появилась релятивистская квантовая теория поля. Более подробно см. в кн.: John Charap. Explaining the Universe: The New Age of Physics. Princeton University Press, 2002. Наиболее полная биография Дирака – в кн.: Graham Farmelo. The Strange Man. (см. библиографию).
[Закрыть] . Когда Томас Хиггс переехал в Ньюкасл и начал работать на Би-би-си, Дирак был приглашен в Кембриджский университет и там с головой погрузился в изучение работ Эйнштейна и пионеров квантовой механики – Гейзенберга и Шрёдингера.
В конце 1927 года в возрасте 25 лет Дирак вывел уравнение, которое многие физики считают одним из самых красивых в истории науки. Его и сейчас можно увидеть высеченным на мемориале Дирака в Вестминстерском аббатстве. Оно примирило квантовую механику с теорией относительности, а также объяснило важное свойство электронов —спин (магнитный момент). Уравнение даже содержало намек на существование частиц с таким загадочным свойством, как отрицательная энергия (масса). Несколько лет спустя, в 1932 году, Карл Андерсон, физик из Калифорнийского технологического института, подтвердил озадачившее всех предсказание Дирака, открыв положительно заряженные электроны – позитроны. Это был первый пример того, что мы сейчас называем антиматерией 5151
Уже написано много книг об антиматерии. Последнюю книгу – Frank Close. Antimatter. Oxford University Press, 2009 – трудно считать простым введением.
[Закрыть] .
Дирак – неудавшийся инженер, ставший выдающимся физиком, – совершил один из величайших переворотов в истории квантовой механики 5252
По словам Хиггса, “Дирак хорош в математике, но безнадежно плох в практических инженерных вопросах”.
[Закрыть] . В это время Фримен Дайсон был маленьким мальчиком и жил в Винчестере, в Южной Англии. Позже, когда он вырос и сам стал ученым, он возвел Дирака на пьедестал. Его открытия Дайсон описывал так: “В великих работах других пионеров квантовой физики было больше изъянов, они были менее совершенными. Его великие открытия были похожи на изысканные мраморные статуи, падавшие с неба одна за другой. Казалось, он был в состоянии сотворить чудо —вывести законы природы из чистой мысли, и именно эта его способность сделала его уникальным”.
Благодаря работам Дирака стало возможно описание всех известных в настоящее время видов материи во Вселенной. Его открытия позволили физикам разработать “квантовую теорию поля”, определившую поведение электронов и фотонов, и создать Стандартную модель, описывающую все известные сегодня элементарные частицы.
Работа на Би-би-си означала каждодневную готовность переезда туда, где вы нужны в тот или иной момент. Через год после рождения Питера семья Хиггса перебралась в Бирмингем, а затем вернулась в Бристоль, куда Хиггсы прибыли за несколько дней до бомбардировки в Страстную пятницу 1941 года. Когда руководство Би-би-си снова перевело Томаса Хиггса в другое отделение, Питер и его мать остались в Бристоле. Там Питер поступил в Котамскую городскую среднюю школу, которая оказала на него большое влияние, в частности при выборе специальности.
Когда Великобритания вступила во Вторую мировую войну, Питер Хиггс решил пойти по стопам своего отца. Он любил языки, и больше всего ему нравились математика и химия, а уроки физики он считал неинтересными. Это было вызвано в основном тем, что многие из молодых и более продвинутых преподавателей ушли на фронт, и Питер и его одноклассники попали в руки старых, закосневших в рутине учителей. Когда дело дошло до сдачи экзаменов на аттестат, Хиггс получил награды по английскому, французскому, латыни, математике и химии – только в физике он не преуспел.
День в школе обычно начинался с утреннего собрания. Хиггс привык стоять в задних рядах, где коротал время за чтением имен, выбитых на огромном стенде, занимавшем большую часть стены. То были имена самых известных выпускников школы. Как-то Питер заметил, что одно имя значилось среди отличников по разным дисциплинам. Это был Поль Дирак, единственный лауреат Нобелевской премии, когда-либо закончивший это учебное заведение. Символично, что, когда Хиггс поступал в школу, ее директор собирался в отставку, а когда Дирак заканчивал школу, он только что занял этот пост.
Хиггс восхищался Дираком. Своей страстью к физике Хиггс обязан Дираку больше, чем любому из отцов-основателей квантовой механики. В школе его учитель английского языка призывал читать больше, особенно популярные книги Артура Эддингтона, Джеймса Джинса и Альберта Эйнштейна.
Одна из историй, описанная Эддингтоном, произошла 29 мая 1919 года, за десять лет до рождения Хиггса 5353
S. Chandrasekhar. Verifying the theory of relativity. Bulletin of the Atomic Scientists, June 1975. Когда Хиггс учился в лондонском Королевском колледже, он считал Эддингтона “чокнутым”. Попытка Эддингтона объединить квантовую теорию с теорией относительности и гравитацией была охарактеризована Хиггсом как “полная чушь”.
[Закрыть] . У Эддингтона созрел гениальный план. Он понял, что природа сама дает способ проверки общей теории относительности Эйнштейна, которая утверждает, что массивные объекты создают гравитационные поля, искривляя пространство вокруг себя. Эддингтон быстро собрался и отправился в плавание на крошечный остров Принсипи у западного побережья Африки. Он и его коллеги прибыли как раз вовремя, чтобы стать свидетелями полного затмения Солнца.
Солнце имеет большую массу, чем все остальные небесные тела в Солнечной системе. Если бы это было не так, планеты вращались бы вокруг другого небесного тела. Если Солнце действительно искривляет пространство, то, когда Луна на короткое время затмит Солнце, эффект должен проявиться в сдвиге в обычном расположении звезд. Звезды, конечно, останутся на своих местах, но лучи света, испускаемые ими, вслед за пространством также искривятся, проходя вблизи Солнца, что и создаст видимость сдвига звезд. Так оно и получилось. Наблюдения Эддингтона были опубликованы через год, и на первых полосах всех газет появились сообщения об убедительном доказательстве теории Эйнштейна.
Хиггс читал запоем. Рассказы Эйнштейна, Эддингтона и других физиков захватили его воображение. А ведь физика, которую он учил в школе, казалась такой скучной! Видно, все интересное, думал Хиггс, в школьную программу не вошло...
За годы войны приоритеты науки изменились настолько, что в результате она оказала непосредственное влияние на исход войны. Сначала, когда в Германии победил нацизм, еврейские ученые либо потеряли работу, либо переехали в другие страны и стали работать там. Европейские физические школы в Берлине, Геттингене и Копенгагене фактически были уничтожены. Из других городов ученые тоже уехали. Эйнштейн переехал в Принстон, штат Нью-Джерси. Макс Борн —в Кембридж, а затем в Эдинбургский университет, Нильса Бора тайно перевезли в бомбовом отсеке бомбардировщика Королевских воздушных вооруженных сил в Великобританию, а затем он перебрался дальше – в Америку 5454
С помощью датских рыбаков Нильса Бора вывезли из Дании в Швецию. Затем он сел на борт бомбардировщика “Москито” и прилетел в Англию, после чего переехал в США, в Лос-Аламосскую национальную лабораторию, где стал работать в рамках Манхэттенского проекта – заниматься созданием американской атомной бомбы. Полный рассказ об этой истории и более подробно про Бора см. в кн.: George Gamow. Thirty Years that Shocked Physics. Dover Publications, 1985.
[Закрыть] . Эрвин Шрёдингер надеялся обустроиться в Оксфорде, но его туда не пустили —университетским властям не понравилось, что он живет с двумя женщинами одновременно. А Гейзенберг, который родился в Вюрцбурге, в Северной Баварии, остался в Германии. Впоследствии он стал директором Института кайзера Вильгельма в Берлине.
Фундаментальные физические исследования на время войны были фактически приостановлены. В обоих воюющих лагерях ученые участвовали в технических проектах, призванных помочь военным. Немцы занимались ракетами, британцы изобретали радар. Компьютерная техника выросла на задворках разработок алгоритмов взламывания шифров. Впервые стали производить в массовых количествах пенициллин, что спасло бесчисленное количество жизней.
За время войны ученые сильно продвинулись в ядерной физике. Уже было известно, что в реакциях деления при расщеплении атомов урана и других элементов выделяется энергия и при соответствующем умении можно инициировать цепную реакцию, в которой выделится огромная энергия из бесчисленного количества атомов, и тогда возникнет разрушительный взрыв.
Поль Дирак провел военные годы в Кембридже —был профессором математики на кафедре Лукаса. Это та самая должность, которую более чем за 250 лет до него занимал Исаак Ньютон, а 40 лет спустя —Стивен Хокинг. Вначале Дирак некоторое время работал над секретной технологией изготовления оружейного урана, который отправляли ученым, участвовавшим в Манхэттенском проекте – программе по созданию американской атомной бомбы. Руководителем проекта был Роберт Оппенгеймер. Работы велись в Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико. Дирак всячески старался избегать исследований, связанных с военной тематикой. В то время в Кембридже ему сильно досаждал чрезвычайно способный, но вечно нарушающий общепринятые нормы поведения студент по имени Фримен Дайсон. Он обожал во время отключения электричества при воздушной тревоге забираться на крышу колледжа. А еще —забрасывать Дирака самыми разными вопросами. Иногда казалось, что это для него любимый вид спорта. Однажды Дирак даже прервал свою лекцию на середине и отправился искать ответ на очередной дайсоновский вопрос.
Теория деления ядра была разработана в 1938 году, почти за год до того, как началась Вторая мировая война. Немецкие ученые во главе с Отто Ганом, бомбардируя уран пучками нейтронов, обнаружили, что его атомы делятся и возникает два более легких элемента 5555
Большая часть соответствующей работы по делению была проделана Ганом вместе с Лизе Майтнер и Фрицем Штрассманом. Для более подробной информации см. кн.: Siegmund Brandt. The Harvest of a Century: Discoveries in Modern Physics in 100 Episodes. Oxford University Press, 2009.
[Закрыть] . В реакции высвобождалась энергия, а также образовывались нейтроны, причем их было больше, чем в падающем пучке. Но тогда эти нейтроны могут быть использованы для расщепления еще большего числа атомов урана, при этом испустится еще больше нейтронов. Важно, что в каждом акте реакции деления выделяется все больше и больше энергии.
Работа Гана основывалась на экспериментах итальянского физика Энрико Ферми, выполненных несколькими годами ранее в Риме. Ферми обнаружил, что в лаборатории можно создать радиоактивные элементы при бомбардировке урана нейтронами, но, насколько он мог видеть, ни в одном из его экспериментов не возникало деления урана. В то время большинство физиков думали, что нейтроны слишком “слабы”, чтобы расщепить атом на два более легких элемента, – они просто “осядут” в атомах и утяжелят их. За свою работу по “наведенной радиоактивности” в 1938 году Ферми был удостоен Нобелевской премии. В том же году он и его жена – еврейка Лаура – покинули Италию и направились в Нью-Йорк, сбежав от фашистского режима Бенито Муссолини.
Прибыв в Америку, Ферми стал участником Манхэттенского проекта. Теперь местом его работы была лаборатория с ничем не примечательным на званием – Чикагская металлургическая лаборатория. Ферми и его новые коллеги должны были построить под старым университетским стадионом ядерный реактор. 2 декабря 1942 года Джеймсу Конанту, руководителю комитета национальных оборонных исследований, поступил звонок от директора Чикагской лаборатории Артура Комптона У него были потрясающие новости! Комптон произнес: “Итальянский мореплаватель только что высадился в Новом Свете”. Эта фраза могла означать только одно – в реакторе Ферми получена цепная реакция, высвободившая энергию атома. Начиналась эпоха атомной энергии.
В следующем году Фримен Дайсон покинул Кембридж – он получил место аналитика в оперативном исследовательском отделе командования бомбардировочной авиации Королевских военно-воздушных сил, расположенном в лесу на холме недалеко от Бекингемшира и занимавшем несколько зданий из красного кирпича. Дайсон снял жилье в соседней деревне и каждое утро проезжал пять миль на мотоцикле; иногда его обгонял лимузин Королевских военно-воздушных сил, возивший в офис его босса, сэра Артура Харриса, прозванного Бомбардировщиком. Работа Дайсона состояла в том, чтобы сделать бомбардировочные рейды безопаснее, увеличить эффективность бомбежек старинных городов Германии, дабы нанести им максимальный ущерб. Позже он признавался, что эта работа сделала его экспертом в том, “как более экономно убить еще сто тысяч человек”.
Хиггсу было почти (без нескольких недель) 16 лет, когда в Великобританию пришла весть о капитуляции Германии. Премьер-министр Уинстон Черчилль в присущем ему драматическом стиле, но при этом с благородной сдержанностью объявил согражданам о прекращении огня. “Мы можем позволить себе короткий период ликования, но давайте не забывать ни на минуту, что нас ждет впереди много дел, поскольку вероломная и алчная Япония остается непокоренной”, —сказал он. Бристоль и другие британские города захлестнула волна ликования. Когда в пабах кончилось пиво, люди, одетые в красные, белые и синие одежды, продолжили празднества на улицах —до поздней ночи они танцевали и пели вокруг костров.
А еще через три месяца наступил настоящий финал – страшный, трагический, с демонстрацией нового ужасного оружия. Утром 6 августа 1945 года американский бомбардировщик “Энола Гэй” освободился от своего 9000-фунтового груза над портовым городом Хиросима на крупнейшем японском острове Хонсю. Груз падал 43 секунды и взорвался на высоте 2000 футов. Внутри бомбы сначала взорвался небольшой обычный заряд вблизи хвостового стабилизатора. Взрыв продвинул к металлическому цилиндру с ураном, расположенному вблизи носовой части бомбы, урановую трубу, соединенную с передней частью снаряда. Когда они встретились и была достигнута критическая масса, из сжатого взрывом инициатора в уран полетели нейтроны. Началась цепная реакция. Первые нейтроны расщепили несколько ядер урана, получившиеся вторичные нейтроны расщепили следующие ядра, нейтронов стало еще больше. По мере того как реакция набирала обороты, высвобождалась огромная энергия, и в конечном итоге бомба разорвалась в небе. “Энола Гэй” отлетел уже почти на двенадцать миль когда его тряхнуло взрывной волной. Через несколько секунд она отразилась от земли, и пришла вторая ударная волна. Экипаж оглянулся назад —город был накрыт облаком, похожим на огромный гриб.
Новости о бомбардировке в тот же день стали известны немецким ученым, которые в начале года были взяты в плен и интернированы в Фарм-Холл, расположенный на окраине Кембриджа. Среди них были Отто Ган и Вернер Гейзенберг. Ган был безутешен. Он чувствовал себя ответственным за гибель сотен тысяч людей. Позже он говорил, что хотел покончить жизнь самоубийством, узнав, что его работы по делению ядер воплотились в реальную бомбу. Расшифровки прослушанных разговоров других ученых, чьи работы сделали возможным создание бомбы, также свидетельствуют об ужасе, их охватившем, и нежелании верить в то, что произошло 5656
Чрезвычайно важные и часто трогательные диалоги между интернированными физиками собраны в кн.: Siegmund Brandt. The Harvest of a Century: Discoveries in Modem Physics in 100 Episodes. Oxford University Press, 2009.
[Закрыть] .
Вернер Гейзенберг слушал и не верил. Он думал, что потребуются годы, чтобы создать бомбу, и был убежден, что сообщение американцев —пропагандистский трюк. Но оказалось, что он сделал серьезные ошибки в расчете критической массы урана, необходимой для цепной реакции и поэтом переоценил трудности в создании бомбы. В хиросимской бомбе в реакции участвовал только килограмм, или около двух процентов заложенного в нее урана, но этого было достаточно, чтобы уничтожить часть города в несколько квадратных миль и убить десятки тысяч человек.
Обсуждения в Фарм-Холле показали, что пережили ученые, когда выяснились последствия их работы. Отто Ган утешал другого немецкого ученого, Вальтера Герлаха: “Зря вы расстраиваетесь, что не мы сделали урановую бомбу. Я на коленях благодарю Бога за это”. На что Герлах ответил: “Вы не могли остановить работу над бомбой. Я боялся думать о ней, но все-таки думал как об угрозе будущему миру, ведь человек, который угрожает бомбой, сможет добиться всего, что угодно”.
В своем интервью в телевизионном документальном фильме 1980 года Фримен Дайсон, описывая смешанные чувства, испытываемые им в отношении бомбы, как обычно, был честен и беспристрастен: “Я сам чувствую притягательность идеи ядерного оружия. Этому нельзя сопротивляться, если вы подходите к проблеме как ученый. Чувствуете, что это в ваших руках. Получить энергию, питающую звезды. Подчинить ее вашей воле. И для сотворения этих чудес запустить миллионы тонн руды в небо – все это дает людям иллюзию безграничной власти, и все наши беды – в некоторой степени – плата за это. Я бы сказал, что наши чувства можно назвать “техническим тщеславием, которое охватывает людей, когда они видят, что могут сделать мощью своего интеллекта” 5757
Цитата взята из книги “The Day After Trinity”, где собраны документы о жизни и творчестве Роберта Оппенгеймера.
[Закрыть] .
Бомбардировки Хиросимы, а позже – Нагасаки – привели к тому, что в Бристольском университете был прочитан курс лекций по физике деления ядер и научным аспектам атомной бомбы. Эти лекции посещал и Питер Хиггс. Часть студентов была в восторге от того, какое воздействие работы по ядерной физике оказали на ход истории. Других это отвратило. “Бомбы, сброшенные на Японию некоторых людей втянули в занятия теоретической физикой, но масса других бросили науку”, – говорил позже Хиггс. – Тогда я начал понимать, что происходит, и решил в будущем избегать всего, что имеет отношение к вооружению”.
В конце войны на физику стали смотреть по-новому. Война показала, что открытия в этой области науки непосредственно влияют на ход исторических событий. Цена медлительности, неспособности совершить открытие или использовать его оказалась чрезвычайно велика. Когда народы пришли в себя после войны, физика была возведена на пьедестал. Пришло время новому поколению ученых двинуться дальше в изучении квантового мира и взяться за разгадку природы массы.
Глава 3
Семьдесят девять строк
Как-то в мае 1950 года в пять часов дня Питер Хиггс делал доклад в лондонском Королевском колледже на заседании Максвелловского студенческого общества. После доклада возникла дискуссия, которая так никогда и не кончилась 5858
Об этом – в президентском послании Хиггса Максвелловскому обществу. Протокол заседания находится в архиве Королевского колледжа в Лондоне.
[Закрыть] . Хиггсу тогда было 20 лет, но он уже был президентом этого студенческого общества. Его члены собирались каждую неделю, чтобы обсудить научные вопросы, выходящие за рамки университетских лекций. Тогда, в тот майский день, Хиггс спрашивал себя и своих друзей: смогут ли ученые когда-нибудь в будущем познать законы природы, проникнуть во все ее тайны. Сам он полностью в положительном ответе уверен не был.
Представления ученого, как и любого другого человека, о мире построены на сведениях, которые он накопил за жизнь, – на его жизненном опыте. Эти сведения формируются, когда наши чувства сигналят нашему разуму о том, что происходит вокруг нас. Мы видим какие-то предметы, слышим шум ими произведенный, чувствуем их движение, вдыхаем их запахи, ощущаем вкус. Наш мозг воспринимает все эти сенсорные сигналы и строит на их основе некую модель – наше собственное, очень личное представление о реальности.
А наука —искусство выявления закономерностей в этой реальности. Как отбрасываются тени, когда солнце движется по небу? Что происходит со светом, когда он проходит сквозь призму? В каком направлении вы летите, когда падаете? Научные эксперименты предназначены для того, чтобы отвечать на подобные вопросы. Если эксперименты все время дают один и тот же результат, возможно, за этим кроется важная закономерность. Правильно поставленный эксперимент помогает понять и сформулировать законы природы.
Сомнения Хиггса вполне естественны. Как ученые могут быть уверены, что наблюдения, которые они делают, реальны? Точно ли мы знаем, что наши чувства дают правильную картину физического мира? Безупречна ли работа нашего мозга по превращению наших жизненных наблюдений в представление о мире? “Можно только верить в то, что это так, доказать же это логически нельзя”, – говорил Хиггс. Наш ум способен и подвести нас. А вдруг эксперимент —продукт нашей фантазии, мы вообразили, что сделали его, поверили, что это было в действительности? Мы могли быть введены в заблуждение и увидеть то, что на самом деле не случалось. И тогда нечто, что показалось реальной закономерностью, законом природы, —не более чем игра воображения.
Протокол заседания, проходившего тем майским днем, написан черными чернилами аккуратным почерком на уже пожелтевших страницах тетради в бордовом переплете, которая хранится в архивах Королевского колледжа в Лондоне. Запись начинается с последовательного изложения аргументов Хиггса, а продолжается описанием выедступлений присутствовавших на заседании преподавателей и студентов. “Этот вопрос вызвал острую дискуссию”, – отмечено в протоколе.
Вопрос Хиггса знаком философам. На заре становления современной науки французский философ XVII века Рене Декарт размышлял над двумя серьезными проблемами: что человек способен познать и как он это может сделать. Декарт предположил, что есть злой демон, пытающийся одурачить нас, устраивая мысленные трюки. Если это так, то как же узнать, что есть истина? В чем демон нас не обманет? Декарт считал, что единственное, в чем можно быть уверенным, так это в том, что если мы думаем, размышляем, то уж точно существуем (Cogito ergo sum – Я мыслю, следовательно, я существую) 5959
Более подробную информацию о солипсизме и философских размышлениях Декарта см., например, в кн.: Bertrand Russell. Human Knowledge: Its Scope and Limits. Routledge, 2009.
[Закрыть] .
Если бы Декарт на этом остановился, он бы оставил нам в наследство мрачный мир, пронизанный сомнениями и одиночеством. Но он пошел дальше, рассмотрев проблему с другой стороны. Что, если есть доброжелательный Бог, предположил он, который дал нам чувства, позволяющие правильно воспринимать действительность, и мозги, дабы правильно сопоставлять факты? Тогда на картина мира правильна. Если Бог хороший мы можем доверять нашим чувствам и радоваться что мир, который мы видим, и есть мир, который существует.
Хиггс не рассматривал Бога в качестве способа разрешения парадокса. В своем докладе он сказал что ему намного легче было бы поверить в научный результат, если бы множество людей сделали один и тот же эксперимент независимо друг от друга и получили бы одинаковый ответ. Друг Хиггса Майкл Фишер, присутствовавший на докладе, во время дискуссии поднял руку и заявил, что будет искать ответы собственными силами в окружающем его мире и сам сможет их найти. “Я должен полагаться на свои чувства!” – сказал он. Обсуждение зашло в тупик, и был объявлен перерыв.
Максвелловское общество было так названо в честь Джеймса Клерка Максвелла, который создал теорию света, работая в Королевском колледже примерно за восемьдесят лет до того, как там оказался Хиггс. Общество собиралось в комнате номер 2С, первой в Великобритании комнате, освещенной газовой лампой. В этой же самой комнате в 1946 году прямо во время лекции был арестован известным физик-ядерщик Алан Нанн Мэй —за шпионаж в пользу русских. За месяц до бомбардировки Хиросимы и Нагасаки Нанн Мэй переправил небольшое количество оружейного урана советскому агенту, а позже отправил ему подробную информацию о бомбардировке Японии. Он получил за это 200 долларов и бутылку виски.
Обычно в Максвелловском обществе выступали приглашенные докладчики. Артур Чарльз Кларк, недавний выпускник колледжа, рассказывал о межпланетных путешествиях 6060
Кларк, известный писатель, автор романов, написанных в жанре научной фантастики, был выпускником Королевского колледжа и учился в университете за несколько лет до Хиггса. Его идеи о межпланетных путешествиях в то время всеми высмеивались.
[Закрыть] . Сэр Эдвард Эпплтон, получивший Нобелевскую премию за открытие верхнего слоя атмосферы —ионосферы —с помощью отражения от нее радиоволн, обсуждал шансы на получение сигналов от внеземных цивилизаций. Чарльз Колсон, первый профессор физик-теоретик колледжа, рассказывая о будущем физики, утверждал, что ученые всё поймут лет через десять или двадцать, если только не появится нечто неожиданное, например телепатия. Неудивительно, что для студента Хиггса эти собрания были невероятно важны как необходимое дополнение к основному курсу.
Когда Хиггсу исполнилось 17 лет, он поступил в Лондонскую городскую школу, расположенную вблизи собора Святого Павла, чтобы в течение года плотно позаниматься математикой. Хиггс обнаружил, что он был там единственным учеником, не одержимым мечтой попасть в Оксфорд или Кембридж. В семье Хиггса существовало устойчивое предубеждение в отношении Оксбриджа (так в Англии называли Оксфорд и Кембридж вместе), и оно передалось Питеру. “Мой отец считал, что слишком многие отправляются в Оксбридж, чтобы побездельничать там несколько лет. Все это очень хорошо для детей из богатых семей – они могут потратить впустую и свое время, и время их наставников, но, если вы серьезно относитесь к учебе, вам следует учиться в другом месте”, – рассказывал Питер.
Хиггс хотел жить дома, пока не получит степень. Имперский колледж в Южном Кенсингтоне он исключил из-за того, что в нем обучение ограничивалось только научными дисциплинами. Хиггс подал документы на физический факультет Университетского колледжа в Блумсбери, а затем и в Королевский колледж, занимавший несколько внушительных зданий на Стрэнде. Не получив ответа из Университетского колледжа, он принял предложение Королевского колледжа.
Питер понимал, что таланта к исследовательской, экспериментальной работе у него нет. Довольно быстро это поняли и его коллеги. Он мог бороться с установкой целую вечность, но все его усилия оставались безуспешными – ни один прибор в его руках работать не желал. В одном опыте Хиггса в тупик поставил барометр, который ни за что не хотел давать показания, пока техник не пожалел Питера и не предложил вынуть резиновую пробку, засунутую в головку барометра. Позже Хиггс попытался повторить классический эксперимент Милликена 1909 года, в котором электрическое поле заставляло заряженные капли масла парить в воздухе, но не смог заставить остановиться ни одну чертову каплю.
В тот же год, когда Хиггс начал учиться в Королевском колледже, Фримен Дайсон осуществил свою мечту. Он устал от послевоенной депрессивной Британии и страстно желал окунуться в атмосферу бурного американского оптимизма. В возрасте 23 лет он прилетел в Нью-Йорк и устроился на работу в Корнеллский государственный университет в группу Ханса Бете, возглавлявшего ранее теоретический отдел Манхэттенского проекта.
В Корнелле Дайсон сразу погрузился в труднейшую проблему, которая угрожала сильно затормозить развитие квантовой физики. Для ее решения необходимо было, в частности, создать теорию поглощения и излучения света атомами и электронами. Эта задача была лишь частью другой огромной проблемы – описания всех различных видов частиц и их взаимодействий с позиции квантовой механики. В центре её была трудность, возникшая в квантовой теории поля, которую физики разработали для описания элементарных частиц. Дело было в том, что квантовая электродинамика, теория, описывающая взаимодействия электронов и фотонов, при определенных обстоятельствах приводила к парадоксу (проблема бесконечностей).
Роберт Оппенгеймер обратил внимание на этот парадокс, когда ему было 26 лет, в 1930 году, но вмешалась война, и проблема была отложена в сторону. Тогда Оппенгеймер с помощью квантовой теории поля попытался разобраться, что происходит, когда электрон испускает частицу света и быстро поглощает ее снова. Это квантовый эквивалент бросания теннисного мяча в воздух, когда он на обратном пути вниз опять попадает в ваши руки. Вы тратите энергию, когда бросаете мяч, но получаете ее обратно, когда ловите его.
