Текст книги "В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса"
Автор книги: Иэн Сэмпл
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 18 страниц)
В июле 1964 года, утром в понедельник, Хиггс приехал в офис и приступил к работе. В семьдесят девять строчек уравнений и сопровождающего их текста он уложил обоснование ошибочности аргументов Гилберта. Потом он все это послал в ЦЕРН, где помещалась редакция журнала “Physics Letters”. Его письмо прибыло в конце июля.
Хиггс был страшно возбужден. Он уже думал о большой статье, в которой детально опишет свою теорию. Но тут пришлось подождать.
Он и Джоди поженились в Эдинбурге ровно год назад, и Питер согласился провести выходные вместе с женой, путешествуя по горам Западной Шотландии. Угадать с погодой в Шотландии всегда трудно, но подруга Хиггсов порекомендовала им отличное место – она где-то прочитала, что там выпадает меньше дождей, чем в других районах страны.
В этот вечер Питеру и Джоди повезло, и они нашли убежище в кемпинге, недалеко от маленького городка, где предлагались ночлег и завтрак. Они приехали на место днем, во время ливня, и, пока ставили палатку, взятую напрокат, порвали ее. На следующий день они признали свое поражение и уехали. Питер не расстроился. Это был идеальный предлог, чтобы вернуться в Эдинбург к работе. Когда перепачканные Хиггсы прибыли домой и рассказали об ужасной погоде своей подруге, та смущенно призналась, что невнимательно прочитала статью: на самом деле место, которое она им расхваливала, считалось самым дождливым в Шотландии.
Вскоре после того, как Хиггс послал свою первую работу в редакцию, ему пришло письмо из Америки. Оно было от Уолли Гилберта, прочитавшего препринт статьи. Письмо было вежливым, но в нем утверждалось, что Хиггс сделал неправильные выводы. Хиггс так и не собрался ему ответить, и только десять лет спустя его осенило, что Гилберт не понял его теории из-за небольшой ошибки в работе “Я тогда не заметил ошибки. Я был так возбужден и записал очень быстро то, что было уже сделано. Слишком быстро”, – говорил он мне.
Хиггс завершил свою вторую статью через неделю после того кошмарного похода и отправил ее в ЦЕРН. Как это принято в большинстве журналов, редакторы “Physics Letters” попросили независимых рецензентов прочитать и оценить его работу. Вскоре пришло письмо из ЦЕРНа. Редактор журнала, Жак Прентки, написал Хиггсу, что тот должен доработать свою теорию и представить ее в другой журнал – итальянский, – где нет рецензирования. Позднее Хиггс узнал: Прентки посчитал, что его статья “не имеет отношения к физике элементарных частиц” 7272
Прентки возглавлял теоретический отдел в ЦЕРНе.
[Закрыть] .
Хиггс пришел в смятение, но и возмутился. Он понял, что, должно быть, недостаточно разъяснил важность своей работы. Перечитав статью, он в конце добавил несколько новых абзацев. В предпоследнем предложении Хиггс отметил, что в его теории имеется присущая только ей особенность —новая частица. Это предложение и породило бозон Хиггса. Хиггс последовал совету Прентки и послал свою переписанную статью в другой журнал, но не в Италию, а в редакцию американского Physical Review Letters”, главного конкурента церновского журнала.
Ответ Хиггсу пришел в сентябре. Его статья была принята, но с оговоркой. Рецензент хотел, чтобы Хиггс процитировал одну статью, вышедшую в день, когда рукопись Хиггса пришла в офис журнала 7373
Несколько лет спустя Намбу рассказал Хиггсу, что он и был этим рецензентом.
[Закрыть] . Статья была написана двумя физиками из Брюсселя, Браутом и Энглером. Используя другой подход, ученые пришли к теории, похожей на теорию Хиггса. Они обогнали его на семь недель. Его вторая статья появилась только в конце октября, более чем через месяц. Одним из основных различий между работами Хиггса и брюссельцев было то, что в работе Хиггса предсказывалось существование новой частицы, ныне носящей его имя.
В Брюсселе Браут и Энглер ничего не знали о работах Хиггса. Решив отпраздновать выход своей статьи, они отправились в красивое кафе в здании XVII века с террасой, выходящей в городской парк. Вдохновленные своими грандиозными достижениями, они выпивали, поднимая тосты за здоровье друг друга. Десятилетия спустя Браут рассказал мне, что он тогда ощущал: “Впервые в жизни я чувствовал, на что это похоже – быть крупным физиком”.
В Имперском колледже в Лондоне Гуральник, Хаген и Киббл разрабатывали свою собственную версию теории, объяснявшую, как частицы получили массу путем нарушения симметрии. Статья вышла отличная. Гуральник и Хаген прочитали окончательный вариант и положили рукопись в конверт, приготовив к отсылке в “Physical Review Letters”, когда вдруг в комнату вбежал Киббл, размахивая тремя статьями – две из них были написаны Хиггсом, третья – Браутом и Энглером. Они попали к ним с запозданием – пролежали на почте или были потеряны уже в колледже.
Беглый анализ этих работ показал, что в них рассматривались те же трудные вопросы, но лондонцы понимали, что их статья была более полной Они решили срочно сделать несколько дополнений, сослаться на работы Хиггса, Браута и Энглера и отослать статью в редакцию. Их статья появилась в журнале 16 ноября 1964 года.
Все три группы описали новый вид поля, существующего в вакууме 7474
Ссылки на ключевые работы каждой из трех команд см. в библиографии.
[Закрыть] . В их теориях утверждается, что, когда поле включается, некоторые частицы приобретают массу, а другие остаются безмассовыми 7575
Поле Хиггса наделяет частицы массой разными способами в зависимости от их типа. В Стандартной модели есть четыре вида частиц-переносчиков взаимодействий: фотоны, глюоны, W-бозоны (которые могут быть положительными или отрицательными) и нейтральный Z-бозон. Перед тем как поле Хиггса активизируется, все эти частицы без массы, и волны, связанные с ними, имеют только поперечную составляющую, то есть колебания происходят в плоскости, перпендикулярной к направлению распространению частицы. На фотоны и глюоны поле Хиггса не действует, a W– и Z-частицы взаимодействуют с ним таким образом, что их волны приобретают продольную составляющую, то есть колебания могут происходить и в направлении движения. Именно эта дополнительная степень свободы делает W– и Z-частицы массивными. Для кварков и лептонов (за исключением, возможно, нейтрино) ситуация иная. Прежде чем поле Хиггса включилось, кварки и электроны находились, что называется, в единственном спиновом состоянии. Некоторые спины направлены по движению, другие – в противоположном направлении. Когда поле Хиггса включается, эти частицы получают возможность находиться в двух спиновых состояниях, и именно этот процесс, как полагают, и придает им массу.
[Закрыть] . Это было поразительно похоже на то, что, как сейчас физики понимают, происходит в сверхпроводниках. Перестройка электронов в сверхпроводнике нарушает симметрию электромагнитного поля, что приводит к необычным последствиям. Когда фотон – безмассовая частица света – попадает в сверхпроводник, он обретает массу. Нарушение симметрии делает фотон массивным. Физики называют это эффектом Мейснера – вытеснением магнитного поля из сверхпроводника.
Летом 1965 года Вернер Гейзенберг организо вал небольшое совещание в живописном городе Фельдафинг на берегу озера Штарнберг в окрестности Мюнхена. На совещание приехали многие физики-аксакалы, в том числе Эдвард Теллер, который работал вместе с Робертом Оппенгеймером в Манхэттенском проекте, а в первые годы холодной войны пролоббировал производство водородной бомбы. Гуральника и Хагена привлекла престижность конференции Гейзенберга, к тому же она была прекрасным поводом повидать Европу. Они решили предпринять автомобильное путешествие. Сначала они отправились в Париж, где Хаген взял напрокат дешевый “Рено-8”. Отдав должное парижской кухне и попробовав артишоки на вкус, они уехали в Баварию.
У обоих там были запланированы доклады на конференции. Гуральник до этого уже прочитал несколько лекций в Европе по их с Хагеном теории и огорчался холодным приемом. Его слова встречались с “почти повсеместным неверием”, говорил он мне много лет спустя. Несмотря на это, он не был готов к тому, что произошло в Фельдафинге. Из всех людей, критиковавших теорию, Гейзенберг был самым суровым критиком. Теория, по его словам, была “хламом”.
Тем же августом Питер и Джоди уехали из Шотландии на годичный саббатикл, который Хиггс решил провести в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл. В работах, которые Хиггс уже опубликовал, описывалось, как природа могла снабдить массой определенные частицы. Но в этих статьях была только заложена основа. Физическое сообщество сомневалось в правильности теории. С точки зрения многих ученых, это был лишь некий хитрый интеллектуальный трюк, который не имел к реальности никакого отношения. Без убедительных аргументов теория не имела никакого смысла, и потому начался новый этап, новая гонка – поиск доказательств.
Глава 4
Заколдованный принц
Когда мысли всех ученых устремляются в одном направлении, развитие науки прекращается. Вместо поисков новых закономерностей ученые начинают топтаться на месте и пережевывать старые результаты 7676
В книге “Ideals and Realities: Selected Essays of Abdus Salam” (World Scientific, 1983) Салам говорит, что наука развивается только в условиях обмена идеями и непрерывной критики. Некоторые физики, к примеру Питер Войт из Колумбийского университета, стали непопулярными, предположив, что значительная область физики пришла в упадок из-за чрезмерного внимания к теории струн, описывающей частицы как крошечные колеблющиеся нити энергии.
[Закрыть] . Соревновательный дух улетучивается. Для настоящей революции нужны оппоненты, а не конформисты. Те шесть ученых, которые пытались решить задачу о происхождении массы, конформистами точно не были. Когда Хиггс начал в Эдинбургском университете работать над своей теорией, он считался аутсайдером – Питер выделялся на общем фоне, поскольку делал совсем не то, что тогда было принято.
Большинство ученых в начале 1960-х перестали заниматься квантовой теорией поля 7777
Более подробно см., например, работу: Kerson Huang. Fundamental Forces of Nature: The Story of Gauge Fields.World Scientific, 2007. Ее автор, почетный профессор теоретической физики в Массачусетском технологическом институте, пишет: “Против квантовой теории поля возник бунт, возможно, из-за разочарования”. См. также кн.: 50 Years of Yang-Mills Theory. Edited by Gerardus’t Hooft. World Scientific, 2005; и главу, посвященную Джулиусу Швингеру и релятивистской квантовой теории поля в кн.: Stig Lundqvist. Nobel Lectures in Physics, 1963-1970. Worl Scientific, 1998.
[Закрыть] . Почти за два десятилетия до того благодаря Фримену Дайсону и его коллегам эта область физики получила мощный импульс – теперь ее уравнения очень точно описывали процессы излучения и поглощения света (фотонов) атомами. А потом физики, занимавшиеся элементарными частицами, попытались с помощью аппарата квантовой теории поля описать другие силы и другие частицы, но им это не удалось. Глубоко разочарованные, они решили, что квантовая теория поля годится только для решения одной определенной задачи. Многие тогда забросили квантовую теорию и переключились на другие методы, которые, как они надеялись, помогут продвинуть физику элементарных частиц вперед. Результаты всех усилий вылились в теорию, названную впоследствии теорией S-матрицы 7878
Более подробную информацию о развитии теории S-матрицы см. в кн.: Laurie Mark Brown, Max Dresden and Lillian Hoddeson. Pions to Quarks: Particle Physics in the 1950s. Cambridge University Press. 1989; Michio Kaku. Hyperspace: A Scientific Odyssey through Parallel Universes, Time Warps, and the Tenth Dimension. Oxford University Press, 1994.
[Закрыть] . По сути, это была некая математическая схема, с помощью которой ученые пытались объяснить поведение частиц, сравнивая их состояние до и после взаимодействия или столкновения.
Хиггс имел смутное понятие о теории S-матрицы. В его представлении ее идея заключалась в следующем: выписываются уравнения для частиц до взаимодействия или столкновения (как бы влетающих в некий черный ящик) и после (то есть вылетающих из него), а потом используется очень много сложной математики для того, чтобы понять, что же с ними произошло. Хиггс считал, что при таком приближении черного ящика 7979
Фраза, использованная Хиггсом для описания S-матрицы в интервью автору в 2008 году. Термин “черный ящик” Хиггс употреблял в научном значении, то есть как определение системы или устройства, о котором известно только то, что у него на входе и на выходе, а как внутри его первое трансформируется во второе, неизвестно. Этот черный ящик не следует путать с черным ящиком, который находится в самолете и используется для изучения причин аварии, если вдруг таковая случается.
[Закрыть] вообще нельзя определить, что происходит с частицами. В то время как многие ученые стали активно пользоваться теорией S-матрицы, Хиггс ее отверг. Он верил, что прекрасно владеет аппаратом квантовой теории поля, и не считал свою игру проигранной. Ведь летом 1964 года именно квантовая теория поля помогла ему обнаружить ошибку в письме Уолли Гилберта и продолжить разработку своей теории возникновения массы, раскритикованной оппонентом.
Хиггс вернулся в Эдинбург в августе 1966 года в приподнятом настроении. Годовое пребывание в Чапел-Хилле оказалось весьма продуктивным и его имя теперь знали многие физики. Мало кто слышал о теории Хиггса до того, как Фримен Дайсон не проявил к ней интерес и не пригласил его прочитать лекцию в Институте перспективных исследований в Принстоне. Зато теперь его работа была известна по крайней мере нескольким самым влиятельным в мире физикам. Пошли дела и у Джоди. Вскоре после приезда в Эдинбург ей предложили ставку преподавателя фонетики в местном университете.
Если бы наш мир, и мир науки тоже, был устроен просто и разумно, дальнейший ход событий выглядел бы так: Питер Хиггс и пять других теоретиков, работавших над теорией масс, собираются вместе в какой-нибудь институтской комнате и за чашечкой кофе обдумывают, какую следующую загадку Вселенной им хотелось бы разрешить. Между тем в другом конце коридора появляются экспериментаторы и распаковывают свое оборудование. Через несколько часов они обнаруживают эфемерное поле Хиггса, ловят несколько Хиггсовых частиц и тут же объявляют, что причина появления массы обнаружена. Мизансцена: все радостно обнимают друг друга. Победа!
Однако в реальности все не так просто. Оказалось, нужно приложить огромные усилия только для того, чтобы появилась надежда проверить теорию Хиггса. Прежде всего, теория, разработанная Хиггсом и другими физиками, не говорила, каким именно частицам поле придает массу. Да и о самом бозоне Хиггса она говорила немного. Известно, что частицу легче обнаружить, если вы примерно знаете ее массу 8080
Частицы описываются несколькими характеристиками, но наиболее распространенные – масса и заряд. Теории, в которых предсказывается величина массы частицы, особенно полезны, потому что в этом случае физики знают, сколько энергии необходимо для того, чтобы создать их в ускорителе элементарных частиц, большая масса соответствует и более высокой энергии. Знание массы нестабильной частицы помогает ученым разобраться, на какие стабильные частицы она может распадаться. Эти распады часто используются в качестве доказательства того, что рождение частицы состоялось.
[Закрыть] . Ирония состоит в том, что, хотя теория Хиггса и объясняет, каким образом другие частицы получают свои массы, но о массе самой частицы Хиггса она ничего не говорит. Ученые могли отправиться на ее поиски, но они не знали, с чего начать.
А что же с полем Хиггса? Ведь физики не могут просто выйти из лаборатории и отправиться на его поиски. Оно, это поле, запрятано глубоко в вакууме и пронизывает все пространство. Особенно трудно его обнаружить потому, что оно не меняется от места к месту 8181
Возьмем магнитное поле Земли. В каждой точке на поверхности Земли (и в атмосфере) у него есть направление и напряженность, причем напряженность больше на полюсах. То же самое касается и поля тяжести. Поля, которые имеют напряженность и направление, называются векторными. А теперь возьмем температурное поле. Температура различается в разных точках Земли очень сильно, но “температурное поле” не имеет направления. То же самое верно и для поля Хиггса. Поля, которые характеризуются величиной, но не направлением, называются скалярными.
[Закрыть] . Изучение гравитационного поля – задачка попроще, поскольку в некоторых местах гравитация сильнее, в некоторых – слабее. Поднимитесь на вершину Эвереста – сила тяжести там заметно меньше, чем на уровне моря, ведь на Эвересте вы дальше от центра Земли. Теоретически ученые могут вызвать изменения в поле Хиггса, но для этого им пришлось бы нагреть Вселенную до температуры выше миллиона миллиардов (квадрильона) градусов Цельсия. Даже если эта задача была бы им по плечу, не хотелось бы, чтобы у них это получилось: изменение поля Хиггса приведет к изменению размеров атомов и сделает нашу материю нестабильной 8282
Если бы можно было изменять напряженность поля Хиггса, оно непосредственно воздействовало бы на массы электронов внутри атомов, что, в свою очередь, привело бы к изменению их размеров и нарушило их стабильность.
[Закрыть] .
В 1964 году, после опубликования первых статей о поле Хиггса, Питер приступил к обобщению уже построенной теории. Он проделал расчеты и вставил в них параметры субатомных частиц, рассчитывая, что рано или поздно одно с другим сойдется и выстроится картина, из которой станет видно, как механизм Хиггса приводит к появлению массы у одних частиц, а других оставляет без нее. Однако его постигло разочарование. Шли месяцы, а заметного продвижения все не было. Как Хиггс ни бился, цель по-прежнему оставалась далеко.
Не лучше шли дела и в Брюсселе. У Роберта Браута и Франсуа Энглера тоже никак не получалось объяснить, почему некоторые частицы в природе обладают массой, а другие —нет. Кончилось тем, что они поручили эту задачу молодой аспирантке, но и у той ничего не вышло. Итак, в Европе работа над хиггсовским механизмом была на грани провала.
А между тем Джерри Гуральник вернулся в Америку. Дела у него шли плохо. Он боялся, что вообще не сможет заниматься наукой. Сокрушительный разгром, которому Гейзенберг подверг его работу в Фельдафинге, подорвал его веру в себя и в теорию, над которой он работал вместе с Диком Хагеном и Томом Кибблом. Позже Гуральник мне говорил, что эта история повергла его в глубокую депрессию, – он чувствовал себя так, словно его жестоко избили.
Гуральнику тогда пришлось забыть о теории происхождения массы. Он получил место в Роче стерском университете штата Нью-Йорк, где работал и Дик Хаген. Спустя год его пригласил заведующий кафедрой физики высоких энергий Роберт Маршак, который дал понять Гуральнику, что если он хочет заниматься физикой, то должен бросить размышлять о нарушении симметрии. Много лет спустя, в 1983 году, Маршак публично извинился перед Гуральником. Выступая на совещании в Шелтер-Айленде, в Нью-Йорке, он сказал, что его тогдашние рекомендации, вероятно, будут стоить Гуральнику Нобелевской премии 8383
Цитируется в рассказе Гуральника о его работе с Хагеном и Кибблом по теории масс, опубликованном в “International Journal of Modern Physics A”, February 2009.
[Закрыть] .
Здание Роберт-Ли-Мур-Холл, входящее в комплекс Техасского университета, – не самое красивое в Остине. Если посмотреть на него со стороны кампуса, оно выглядит как огромная уродливая коробка из-под обуви с щелями-окнами и пристройкой сбоку. Изнутри кажется, что оно специально построено так, чтобы запутать людей или, по крайней мере, отбить охоту у идиотов, попавших сюда, идти дальше. Первый этаж – на самом деле четвертый, то есть, чтобы попасть на девятый, нужно подняться в лифте на пять этажей наверх. И именно на девятом этаже находится офис одного из самых уважаемых физиков в мире – Стивена Вайнберга, к которому я и направляюсь.
Стивен Вайнберг руководит отделением теоретической физики в Университете Остина. Он приезжает на работу в костюме и шляпе-панаме и прогуливается, опираясь на палку, которой пользуется с тех пор, как его колено поразил артрит. Вайнберг встречает меня в коридоре дружеской улыбкой, распахивает дверь в свой кабинет и садится перед вазочкой с фисташками. История, которую я хочу услышать, началась более сорока лет назад...
Шел 1967 год. Вайнбергу было 34 года, и он работал в Массачусетском технологическом институте в Кембридже, штат Массачусетс. Чтобы его жена смогла учиться на юридическом факультете Гарвардского университета, он решил переехать в Бостон, для чего взял отпуск в своем университете в Беркли Калифорния, где занимал пост профессора физики Вайнбергу было непросто —он с женой и маленькой дочкой только что въехал в свой второй съемный дом, девочке была нужна няня, и ко всему прочему его работа застопорилась.
Вайнберг всю осень не расставался с карандашом и бумагой, выписывая уравнения и стараясь понять, что в них можно увидеть. Он пытался с помощью механизма Хиггса объяснить некоторые тонкие различия между протонами и нейтронами —частицами атомных ядер. А когда увидел, что из его уравнений следует наличие нулевой массы у известных в ядерной физике частиц – ро-мезонов, – то понял, что пришло время отказаться от этих уравнений. Дело в том, что физики уже знали, что масса у ро-мезонов ненулевая. “Это привело меня в жуткое уныние, – рассказывал он. – Как заниматься теорией, если понимаешь, что она приводит к неправильным результатам!
Вайнберг описал это свое разочарование позже, в 1997 году, в статье для ныне несуществующего глянцевого журнала “George”, одним из основателей которого был Джон Кеннеди-младший: “Противоречия такого рода трудно разрешить, сидя за столом и делая расчеты. – вы просто будете ходить по округу. Иногда полезно оставить задачу повариться в подсознании, а в это время выйти из дома, посидеть на скамейке в парке и посмотреть, как ваша дочь играет в песочнице” 8484
Статья переиздана в сборнике эссе Стивена Вайнберга (Facing up: Science and Its Cultural Adversaries. Harvard University Press, 2001). Во время моего интервью с Вайнбергом он повторил фразу из статьи: “Прогнозы, которые, как уже известно, дают неправильные результаты, мешают продвинуться вперед”.
[Закрыть] .
Однажды несколько недель спустя, в середине сентября Вайнберг ехал в офис в Массачусетском технологическом институте в своем красном спорткаре “камаро”, и вдруг его осенило: неправильной была не сама его теория, а только ее интерпретация! Уравнения, которые он вывел, не описывали тонкие различия между протонами и нейтронами, зато прекрасно описывали так называемую четвертую силу, существующую в природе. “Я дал правильный ответ на неправильный вопрос”, – рассказывал он.
Четвертая сила природы – наверное, самая малоизвестная из всех. Большинство людей знакомы с силой тяжести и электромагнитной силой. Электромагнитное взаимодействие, например, используется в электронных приборах, а еще заставляет волосы вставать дыбом в грозу. Третья сила – сила, участвующая в сильном взаимодействии, она в 137 раз сильнее, чем электромагнитная, и ее дело – удерживать частицы внутри атомных ядер. А вот что такое четвертая сила – не очень ясно. Она отвечает за слабое взаимодействие и за некоторые виды радиоактивного распада. Внутри Солнца слабое взаимодействие превращает водород в дейтерий (тяжелый водород) – сырье для термоядерных реакций, благодаря которым наша звезда светится.
Слабые силы действуют лишь на малых расстояниях. В то время как радиус действия электромагнитной силы огромен, слабая сила ощущается только при приближении на расстояние, равное одной стомиллионной доли нанометра, а это одна сотая диаметра атомного ядра, расстояние столь малое, что физики считают: слабая сила включается лишь при непосредственном контакте частиц.
Приехав в свой офис в Массачусетском технологическом институте, Вайнберг стал набрасывать черновой вариант теории. Вскоре он понял, что безмассовая частица, которая разрушала его прежние построения, была на самом деле фотоном —действительно безмассовой частицей, квантом света и переносчиком электромагнитного взаимодействия. Это было основным выводом и означало, что уравнения Вайнберга в рамках единой обобщающей теории описывают и слабые и электромагнитные силы. Вайнберг, сам не осознавая того, объединил две силы природы. С тех пор как в XIX веке Максвелл объединил электричество и магнетизм, подобное объединение было сделано впервые.
В работе Вайнберга описывалось взаимодействие, которое теперь ученые называют электрослабым. Его расчеты показали, что в начале существования Вселенной электромагнитные и слабые силы переплетались. Затем, по мере расширения и охлаждения Вселенной, они разделились на две отдельные силы, которые мы и наблюдаем в настоящее время. Прорыв, сделанный Вайнбергом, был тем более значительным, что его теория включала в себя механизм Хиггса! Именно поле Хиггса “растащило” со временем электромагнитную и слабую силы.
Объединив электричество и магнетизм в единую теорию электромагнетизма, Максвелл предсказал, что кроме видимого света существуют еще и другие электромагнитные волны. Это намного облегчило жизнь ученым – теперь они знали, где искать доказательства правильности теории. К счастью, в теории Вайнберга тоже содержалось несколько предсказаний. Ученый предугадал три новых вида частиц, названных W– и Z-бозонами. W-бозон (от weak – слабый) существует в двух формах – положительной и отрицательной, а Z-бозон вообще не имеет электрического заряда. Его так назвали именно из-за его нулевого (zero) заряда, а также потому, что Z – последняя буква в английском алфавите, и Вайнберг надеялся, что этот бозон будет последним в семействе частиц, переносящих слабые взаимодействия.
В теории электрослабого взаимодействия Вайнберга механизм Хиггса играет центральную роль. Именно поле Хиггса расщепляет электрослабую силу на две, придав массу W– и Z-бозонам, но оставив при этом фотоны безмассовыми. Поскольку фотоны невесомы, они могут переносить электромагнитное взаимодействие на большие расстояния со скоростью света. A W– и Z-частицы из-за своих существенных масс вообще едва шевелятся, так что слабая сила может передаваться только на крошечные расстояния. Позже физики поняли, что и кварки и электроны тоже получили массы, оказавшись в поле Хиггса.
Работа Вайнберга по электрослабым взаимодействиям была опубликована в следующем месяце – в ноябре 1967 года 8585
“Модель лептонов”: см. библиографию.
[Закрыть] . Она стала самой цитируемой статьей в истории физики элементарных частиц. У теории Вайнберга была замечательная особенность —она предсказывала, какие примерно массы должны иметь новые частицы, следовательно, ученые могли немедленно пуститься в их поиски. То есть, если частицы эти действительно существуют в природе и если бы их нашли, событие сие стало бы неоспоримым доказательством правильности и теории Вайнберга, и механизма Хиггса, на котором она основывалась.
Вайнберг встал и подошел к окну своего офиса в Остине, не забыв прихватить вазочку с фисташками. Стены его кабинета увешаны дипломами, грамотами и фотографиями знаменитостей, присутствовавших на церемониях, посвященных его награждениям. Его книжные полки забиты книгами с непонятными названиями, многие из этих трудов Вайнберг написал сам. Есть среди них и популярные книги. По пути из Чикаго в Остин я прочитал эссе Вайнберга из 5000 слов, которое называется “Без Бога”, вышедшее несколько месяцев назад в журнале “New York Review of Books” – одном из многих, с которыми он сотрудничает. Как вам удается все успевать?” – спросил я. “Я не хожу в церковь и не катаюсь на лыжах”, – улыбнувшись, ответил Вайнберг.
Большую часть времени он работает не здесь, в этом офисе, а у себя дома, в нескольких милях отсюда. Окна его кабинета выходят на озеро Остин. На письменном столе стоит телевизор, и, если работа стопорится, можно откинуться на спинку кресла, посмотреть старые фильмы и подождать, пока вернется вдохновение. “Я люблю сидеть за своим столом и всегда это любил”, – говорит он. – По правде сказать, блестящие идеи приходят в голову не очень часто, но, наверное, очень часто они никому в голову не приходят”.
Когда мы вошли в кабинет Вайнберга, доска, висевшая на стене, была чистой, но в процессе беседы она покрылась начертанной мелом вязью уравнений, парящих над ними кривых и каракулей. Все это вместе составляло ответ на вопрос: какова роль механизма Хиггса в природе. Ответ, который Хиггс и другие его коллеги так и не нашли.
У меня оставалось времени в обрез, чтобы добраться до аэропорта и успеть на свой рейс из Остина, и Вайнберг предложил подвезти меня в гостиницу, чтобы я захватил свои вещи. Мы сели в его машину (красный “камаро” остался в далеком прошлом) и направились в центр города. Через пять минут, когда в плотном полуденном трафике мы резко пересекли пару полос движения, чтобы припарковаться у гостиницы, вокруг взревели клаксоны. “В некотором смысле я переоткрыл механизм Хиггса, – сказал Вайнберг. – И теперь недостает только частицы Хиггса. Это единственное, чего нам не хватает”.
Через год после выхода статьи Вайнберга Абдус Салам, профессор теоретической физики из лондонского Имперского колледжа, а затем – директор Международного центра теоретической физики в Триесте, опубликовал идентичную по существу теорию, разработанную им совершенно независимо. Работы, опубликованные как Вайнбергом, так и Саламом, во многом напоминали работу, опубликованную в 1961 году Шелдоном Глэшоу, одним из бывших одноклассников Вайнберга по средней школе в нью-йоркском Бронксе. Теория Глэшоу тоже объединяла электромагнетизм и слабое взаимодействие, и, более того, в ней тоже предсказывалось существование W-частиц, но ей не хватало одного жизненно важного ингредиента. Теория не включала в себя механизм Хиггса, до открытия которого оставалось еще три года. Без него теория не заработала.
Ученые не всегда общаются друг с другом так, как хотелось бы. Причины – чисто человеческие: все люди разные, не все умеют понравиться при первой встрече, не все умеют вести светские беседы. Но даже если разговор складывается, многие, отчасти из-за соображений секретности, вряд ли упомянут что-то, способное заронить идею в голове собеседника. Прагматичные ученые знают, что рискованно рассказывать слишком откровенно о своих идеях, по крайней мере пока они не опубликованы. В результате важные открытия в науке часто происходят позже, чем могли бы.
Однажды в 1960 году Питер Хиггс встретился с Шелдоном Глэшоу на летней физической школе, которая проводилась в колледже Ньюбатл-Эбби, в потрясающем здании XVI века – бывшем монастыре с парком площадью 125 акров, расположенном в окрестностях Эдинбурга. Глэшоу было 27 лет, и он уже написал статью по объединению электромагнитного и слабого взаимодействий. Глэшоу надеялся опубликовать ее в ближайшие месяцы. В один из вечеров несколько физиков засиделись допоздна, обсуждая последние работы. Среди них был и Глэшоу с увлечением рассказывавший о своей работе. Если бы Хиггс оказался там, он почти наверняка понял бы идею Глэшоу и смог бы превратить ее в стройную теорию, вроде той, что разработал Вайнберг. Однако он упустил шанс. В тот вечер Хиггс исполнял обязанности винного стюарда и не подозревал, что компания в это время попивает вино, припрятав принесенные им бутылки в нижней части старинных напольных часов.
В 1979 году Глэшоу прочитал лекцию 8686
Нобелевская лекция Глэшоу, прочитанная 8 декабря 1979 года. Он получил премию за работы по объединению электромагнитных и слабых сил.
[Закрыть] , привлекшую общее внимание. Давая оценку своему вкладу в физику, он задался вопросом, почему Хиггс и другие физики, работавшие над проблемой происхождения масс, не поняли, что у них в руках был важный недостающий для объединения электромагнитного и слабого взаимодействий элемент. Сам Глэшоу много раз встречался и беседовал с Хиггсом и его коллегами. “Разве я не рассказывал им о моей модели, может, они просто забыли об этом?” – спросил он аудиторию. Не важно, по какой причине, но из-за упущенной тогда возможности физикам пришлось ждать семь лет, пока Вайнберг нашел применение механизму Хиггса.
К тому моменту, когда Хиггс услышал о прорыве, сделанном Вайнбергом, он прожил в Эдинбурге только один год. Он читал новости об открытии со смешанным чувством. “Я был рад, что кто-то нашел разумное применение моей теории, но испытывал и очевидную досаду. Я не смог решить эту задачу сам, потому что пытался применить свою теорию ко всему сразу, и это было ошибкой. Я зациклился на неправильном применении. Нам с Глэшоу просто не удалось как следует пообщаться”, – говорил мне Хиггс.
Что еще более удивительно, так это то, что Глэшоу не опередил Вайнберга в решении проблемы объединения. Шесть физиков, которые работали над проблемой природы массы, публиковали свои работы в самых престижных физических журналах того времени. Они были напечатаны всего через несколько лет после выхода работы Глэшоу. Но даже если Глэшоу не видел ни одной из этих статей, он должен был бы услышать о теории Хиггса в 1966 году, ведь он присутствовал на лекции Хиггса, когда тот рассказывал о своей теории в Гарварде, на следующий день после доклада в Институте перспективных исследований в Принстоне. Глэшоу даже поговорил с Хиггсом после лекции и сказал, что ему понравилась теория. “Он не понял тогда, что она имела отношение к его работе”, – сказал Хиггс. Позже Глэшоу признался, что “совершенно забыл” свою работу по электрослабым взаимодействиям.
Упущенные возможности не ограничились этими эпизодами. Как-то раз Джерри Гуральник с Джоном Чарапом —физиком-теоретиком из колледжа Королевы Марии Лондонского университета —спасались от ливня в битом “форде”. Это происходило после выхода в 1964 году в свет статей по происхождению масс. Они с удовольствием поболтали о теории и о возможности ее использования для объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. По каким-то причинам ни тот ни другой никогда не принимали эту идею всерьез. Идея улетучилась вместе с тучей.
В другой раз Гуральник обедал с Джоном Уордом физиком, работавшим с Абдусом Саламом в Имперском колледже. Когда Гуральник начал рассказывать о своей работе, Уорд попросил его остановиться – опытный Уорд посоветовал Гуральнику не разбрасываться так своими идеями, потому что кто-нибудь может их украсть прежде, чем тот опубликует законченную работу. “Если бы он только послушал! У нас двоих было достаточно информации, чтобы решить проблему объединения там же”, – вспоминал позже Гуральник. Некоторое время спустя он написал: “Как же мы упустили свой шанс? Все из-за нерешительности, медлительности и невезения” 8787
См. ссылку 83.
[Закрыть] .
По той или иной причине все физики, в 1964 году участвовавшие в работе над теорией возникновения массы, упустили шанс понять, какое отношение она имеет к реальному миру. Не говоря уже о личных и профессиональных разочарованиях, потерю из-за этого понесла и физика в целом. К сожалению, такое случается очень часто; ситуация, когда разные ученые знают, как сложить отдельные части большого пазла, но не могут собрать эти куски в единую картину в одном месте и в одно время, возникает нередко.
В настоящее время теории Вайнберга и Салама, опубликованные много лет назад, являются главным обоснованием Стандартной модели, описывающей поведение всех существующих в природе и известных нам сегодня частиц. Дополненная этими теориями Стандартная модель приобрела глубину. Она объясняет, как механизм Хиггса работает в природе, наделяя конкретные частицы, включая кварки И электроны, массой. До открытия Вайнберга теория Хиггса была не более чем изящной идеей, после – стала ключом в понимании природы материи.
