Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира

Вряд ли за это можно ругать журналистов. Название «частица Бога» вызывает интерес у публики, а название «бозон Хиггса» кажется скучноватым. Но осуждать физиков нельзя: бозон Хиггса не имеет ничего общего с Богом, это всего лишь частица. Хотя и очень важная, и недаром она возбуждает в душах ученых столь страстное желание ее найти. Но это страстное желание не дотягивает до уровня религиозного экстаза. Однако стоит разобраться, почему у ученых возник соблазн даровать богоподобный статус этой скромной элементарной частице. (Понятно, что они не вкладывали в ее название никакого теологического смысла. Разве кто-нибудь действительно может предположить, что у Бога есть любимчики среди частиц?)

Божественный замысел

Отношения у физиков с Богом давние и сложные. С Богом не только как с гипотетическим всемогущим существом, который создал Вселенную, но и с самим словом «Бог». Когда физики говорят о Вселенной, они часто используют идею Бога, чтобы сказать что-то о физическом мире. Вот и Эйнштейн нередко поминал Бога. Среди наиболее известных цитат этого чрезвычайно часто цитируемого ученого наиболее популярны две: «Я хочу знать мысли Бога, все остальное – детали» и, конечно, «Я убежден, что Бог не играет в кости со Вселенной».

Многие из ученых впали в соблазн подражания Эйнштейну. В 1992 году спутник НАСА, названный COBE (Cosmic Background Explorer), получил удивительные фотографии крошечной ряби на фоновом излучения, оставшемся от Большого взрыва. Джордж Смут, один из исследователей, работавших над проектом COBE, подчеркнул значимость события, произнеся с пафосом: «Если вы религиозны, то это – все равно что увидеть Бога», а Стивен Хокинг в заключительном абзаце своего мегабестселлера «Краткая история времени» и вовсе не постеснялся использовать богословский язык: «Если мы все-таки создадим полную теорию, она со временем станет понятной каждому, а не только нескольким ученым. Тогда мы все – философы, ученые и просто обычные люди – сможем принять участие в дискуссии о том, почему существуем мы и существует наша Вселенная. И если мы найдем ответ на такой вопрос, это станет окончательным триумфом человеческого разума, ибо тогда мы познаем Божественный замысел».

Из истории известно, что некоторые выдающиеся физики были весьма религиозны. Так, Исаак Ньютон – пожалуй, величайший ученый всех времен и народов – был набожным христианином, хотя и гетеродоксом, и провел не меньше времени за изучением и толкованием Библии, чем за занятиями физикой. В XX веке у нас есть пример Жоржа Леметра – космолога, разработавшего теорию «первобытного атома», которая сейчас известна как модель Большого взрыва. Леметр был священником и по совместительству профессором Католического университета в Лёвене (Бельгия). В модели Большого взрыва наша наблюдаемая Вселенная возникла около 13,7 миллиардов лет назад в особый момент времени из точки с бесконечной плотностью. А по христианской версии мир был создан Богом в некий момент времени. Между двумя этими версиями есть очевидные параллели, но Леметр всегда был очень осторожен и не смешивал свои религиозные взгляды с научными. В какой-то момент Папа Пий XII попытался предположить, что «первобытный атом» можно соотнести со словами «Да будет свет!» из Книги Бытия, но Леметр сам уговорил его отказаться от этой аналогии.

В наши дни, однако, большинство физиков гораздо менее склонны верить в Бога, чем люди, не занимающиеся наукой. Если вы станете изучать то, как приспосабливается мир к выживанию в естественных условиях, вы наверняка впечатлитесь тем, как хорошо Вселенная сама справляется с этим – без всякой помощи сверхъестественных сил. Есть, конечно, яркие примеры верующих физиков, но несомненно и то, что реальная физика в своих уравнениях обходится без сверхъестественных допущений.

Разговоры о боге

Так если физики не очень верят в Бога, то почему они продолжают говорить о нем? На самом деле есть два мотива: один получше, другой – похуже.

Лучший состоит в том, что Бог – очень удобная метафора в разговоре о Вселенной. Когда Эйнштейн говорит: «Я хочу знать мысли Бога», он не думает о том сверхъестественном существе, которое, возможно, представляет себе священник. Эйнштейн просто выражает так свое желание понять, как устроен мир. У Вселенной есть одно удивительное свойство: она познаваема. Мы можем изучить все, что происходит с материей во Вселенной в различных обстоятельствах, и найти удивительные закономерности, которые, как нам кажется, никогда не нарушаются. Когда все сомнения в реальности этих закономерностей исчезают, мы называем их «законами природы».

Действующие законы природы очень интересны, но еще интереснее то, что они вообще есть. Законы, известные на сегодняшний день, облечены в точную и элегантную математическую форму. Физик Юджин Вигнер был так восхищен этой особенностью реальности, что заявил: «Результативность математики в естественных науках непостижима». Наша Вселенная не просто сборная солянка из всяких предметов, случайным образом взаимодействующих друг с другом. Она – результат очень целенаправленной и предсказуемой эволюции определенных элементов материи, танец частиц и сил, поставленный гениальным хореографом.

Говоря о «Боге», физики поддаются извечному человеческому стремлению к антропоморфизму, то есть пытаются наделить физический мир человеческими чертами. «Мысли Бога» – это метафора, смысл которой – «основные законы природы». Мы хотим знать, что это за законы. Более того, мы хотели бы знать, могут ли законы природы быть другими. Вдруг открытые нами законы – всего лишь один из вариантов закономерностей, или в нашем мире есть что-то особенное? Вероятно, мы когда-нибудь сумеем, а может быть, и нет, ответить на этот сложнейший вопрос, но он – из тех, что разжигают любопытство настоящих ученых.

Другой мотив, который заставляет ученых поддаться искушению и апеллировать к Богу в своих рассуждениях о бозоне Хиггса, не так высокодуховен – просто это хорошая реклама. Назвать бозон Хиггса «частицей Бога» может быть и чудовищно неточно, но гениально с точки зрения маркетинга. Физики считают название «частица Бога» ужасным и презирают его, но оно привлекает внимание, и именно поэтому им будут продолжать пользоваться, хотя каждый научный журналист точно знает, что физики думают об этом названии.

Название «частица Бога» заставляет людей замолкнуть и прослушать теле– или радиосообщение до конца. После того как это название стало штампом, несомненно, оно будет использоваться всеми, кто попытается объяснить эту эзотерическую концепцию обычной публике, понимая, что кругом масса других претендентов на ее внимание. Допустим, вы рассказываете, что ищете бозон Хиггса, – сразу большинство телезрителей переключатся на другой канал: а вдруг Кардашьяны[1] как раз сейчас отчебучивают что-то невероятное. А теперь, допустим, вы упомянули частицу Бога. Тут, по крайней мере, на ваши объяснения обратят внимание. Кардашьянов можно будет посмотреть и завтра.

Правда, иногда это яркое название создает ученым проблемы. В 1993 году, когда Соединенные Штаты еще не отказались строить Сверхпроводящий суперколлайдер, который должен был стать более мощным, чем БАК, лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг рассказывал Конгрессу о достоинствах проектируемого ускорителя. В какой-то момент дискуссия приняла неожиданный оборот. Вот фрагмент стенограммы этого заседания.

Харрис Фауэлл, конгрессмен-республиканец от штата Иллинойс: Мне иногда хотелось бы, чтобы все это было описано одним словом, но, похоже, сие невозможно. Я думаю, может быть, доктор Вайнберг, вы подошли немного ближе к этому, и – я не уверен, но я это записал – вы сказали, что подозреваете, все это не случайно, что существуют правила, которые управляют материей, и я законспектировал ваши слова. Но тогда поможет ли это нам найти Бога? Я уверен, что вы не говорили столь определенно, но действительно – позволит ли это нам узнать настолько больше о Вселенной?

Дон Риттер, конгрессмен-республиканец от штата Пенсильвания: Согласится ли джентльмен с этим? Если его машина способна на такое, я поменяю свое отношение и поддержу проект.

Естественно, Вайнберг был не настолько легкомыслен, чтобы на слушаниях в Конгрессе называть бозон Хиггса «частицей Бога». Но соблазн использовать метафору силен, и в разговоре об устройстве мира всегда в какой-то момент кто-нибудь да задаст вопрос, подобный тому, что прозвучал на слушаниях в Конгрессе.

На случай, если у кого-то остались сомнения: ничто из того, что мы можем найти на Большом адронном коллайдере или могли бы найти на Сверхпроводящем суперколлайдере, не поспособствует человеку в поисках Бога. Зато эти исследования приблизят нас к пониманию основных законов природы.

И последнее

Ледерман и Терези дали бозону Хиггса прозвище «частица Бога» не только потому, что знали – это привлечет к нему внимание (хотя такое соображение, вероятно, приходило им в голову). В конце концов броское название вызвало столько же ругательных отзывов, сколько одобрительных. В предисловии к следующему, переработанному изданию своей книги они грустно констатировали: «Название обидело сразу две категории людей: 1) верующих в Бога и 2) не верящих в Бога. Оно понравилось только тем, кто был между».

Вводя в обиход «частицу Бога», они в действительности только старались подчеркнуть важность бозона Хиггса. У книги, которую вы сейчас читаете, чуть-чуть более скромное название… но только чуть-чуть. Честно говоря, когда я сообщаю физикам название книги – «Частица на краю Вселенной», они почему-то не приходят в неописуемый восторг. Насколько мы знаем, у Вселенной нет никакого «края» ни в смысле границы в пространстве, ни в смысле завершающего момента времени. И если бы во Вселенной оказалось такое место, которое можно было бы назвать краем, нет никаких оснований думать, что там мы непременно нашли бы какую-нибудь частицу. А если бы мы все-таки ее нашли, нет никаких оснований рассчитывать, что это будет бозон Хиггса.

Но, опять же, мы имеем дело с метафорой. Бозон Хиггса – это «крайняя частица» не в пространственном или временном смысле, а в смысле познания. Это последний фрагмент головоломки, разгадав которую мы поймем на глубинном уровне, как устроена обычная материя, из которой состоит окружающий нас мир. И это очень важно.

Тут я должен поспешить, чтобы снова не расстроить моих коллег-физиков, и сказать следующее: бозон Хиггса – это отнюдь не недостающий элемент головоломки, в котором содержатся «абсолютно все ответы на все вопросы». Даже после того как бозон Хиггса найден и его свойства изучены, в физике остается еще много непонятного. В первую очередь это гравитация – сила природы, которую мы не можем до конца объяснить с точки зрения квантовой механики, и бозон Хиггса тут нам не помощник. А еще есть темная материя и темная энергия – таинственные субстанции, которые заполняют Вселенную. Есть (точнее, могут быть) и другие, пока гипотетические, экзотические частицы из тех, что любят придумывать физики-теоретики, но свидетельств существования которых в настоящий момент нет. А кроме того, естественно, есть и другие науки, в которых полно собственных проблем, особо не связанных с физикой элементарных частиц, – от атомной и молекулярной физики, химии, биологии и геологии вплоть до социологии, психологии и экономики. После обнаружения бозона Хиггса у человечества не иссякнет желание и дальше познавать мир.

А теперь, после того как мы сделали все эти реверансы, давайте вернемся к описанию особой роли бозона Хиггса – последнего недостающего элемента Стандартной модели физики элементарных частиц. Стандартная модель объясняет все, с чем мы имеем дело в повседневной жизни (кроме гравитации, которую достаточно легко туда вставить). Кварки, нейтрино и фотоны, тепло, свет и радиоактивность, столы, лифты, и самолеты, телевидение, компьютеры и мобильные телефоны, бактерии, слоны и люди, астероиды, планеты и звезды – все это просто разные способы реализации Стандартной модели в различных обстоятельствах, и все в ней прекрасно согласуется одно с другим. С ее помощью объясняется огромное разнообразие экспериментальных данных, но – при одном условии: если существует бозон Хиггса. Без бозона Хиггса, или чего-то еще более экзотического, что могло бы выполнять его функции, Стандартная модель не работает.

Раскрываем секрет фокуса

Есть что-то сомнительное в этих заявлениях о суперважности бозона Хиггса. В конце концов, откуда вообще мы узнали, что он такой важный, до того, как его нашли? Что заставляло нас без конца обсуждать свойства гипотетической частицы, которую никто никогда не наблюдал?

Представьте себе, что вы видите выступление очень талантливого иллюзиониста, выполняющего необычный карточный фокус. Он состоит в том, что иллюзионист заставляет карту парить в воздухе. Этот трюк приводит вас в полное недоумение, поскольку вы абсолютно уверены: иллюзионист, заставляя карты левитировать, не использует сверхъестественные силы. Вы достаточно умны и настойчивы и, немного поразмыслив, придумываете способ, с помощью которого иллюзионист мог бы проделать свой фокус, а именно – прикрепив к карте тонкую невидимую нить. На самом деле не трудно придумать и другие варианты – например, удерживать карты в воздухе с помощью струи теплого воздуха, но сценарий с нитью – самый простой и правдоподобный. Можно пойти и дальше и даже проделать этот фокус дома – проверить, действительно ли с правильной нитью фокус получается не хуже, чем у иллюзиониста.

Потом вы идете на следующее представление этого иллюзиониста и опять видите левитирующие карты. Все в этом фокусе выглядит в точности так же, как в том опыте, который вы проделали дома. Но вот нить в руках иллюзиониста вы не видите!

Бозон Хиггса в Стандартной модели похож на эту нить. Довольно долго мы непосредственно его не видели, а видели только результаты его работы. Или по-другому: мы наблюдали явления, очень хорошо объяснимые в том случае, если он существует, но не имеющие никакого смысла без него. Без бозона Хиггса такие частицы, как, например, электрон, имели бы нулевую массу и двигались бы со скоростью света, а на самом деле у них есть масса и движутся они медленнее. Без бозона Хиггса многие элементарные частицы были бы одинаковыми, а в реальности они очень разные – с различными массами и временами жизни. С бозоном Хиггса все эти ключевые свойства элементарных частиц сразу объясняются.

В подобных обстоятельствах – идет ли речь о картах или о бозоне Хиггса – существует два варианта: либо наша теория правильна, либо существует еще более интересная и сложная теория. Факты налицо: карты левитируют, частицы обладают массой. Этому должно быть объяснение. Если мы его знаем, то можем поздравить себя с тем, что оказались такими умными, а если это нечто более сложное, то нам предстоит узнать что-то очень интересное. Может быть, частица, найденная на БАКе, выполняет только часть тех функций, которые, по нашему предположению, должен выполнять бозон Хиггса, но не все. А может быть, та работа, которую должен выполнять бозон Хиггса, делается несколькими частицами, из которых нашли пока только одну. Что бы там ни было, мы всегда окажемся в выигрыше, но при условии, что нам в конце концов удастся понять, что же происходит в действительности.

Фермионы и бозоны

Давайте посмотрим, сможем ли мы перевести на более научный язык эти метафорические заклинания «группы поддержки» бозона Хиггса, с помощью которых нам демонстрируют его важность, и уже на этом языке объяснить, какую функцию предположительно он должен выполнять.

Частицы бывают двух типов: частицы, из которых составлена материя, их называют фермионами, и частицы-переносчики взаимодействий, называемые бозонами. Разница между ними состоит в том, что фермионам требуется для выживания много места, в то время как бозоны могут жить прямо на головах друг у друга. Нельзя взять горсть одинаковых фермионов и поместить их всех в одном месте – законы квантовой механики не позволят сделать это. Вот почему из фермионов составлены твердые объекты типа столов и планет.

Удивительное дело – чем меньше масса частицы, тем больше места она занимает. Атомы состоят всего из трех типов фермионов – верхних кварков, нижних кварков и электронов, удерживаемых вместе с помощью взаимодействий. Атомные ядра, состоящие из протонов и нейтронов, которые в свою очередь состоят из верхних и нижних кварков, относительно тяжелы и занимают относительно небольшие области пространства. Электроны, напротив, намного легче (около 1/2000 массы протона или нейтрона), но занимают гораздо больше места. В действительности именно электроны в атомах придают веществу присущую ему твердость.

Бозоны вообще не занимают никакого места. Два бозона или два триллиона бозонов – все равно сколько – могут с легкостью разместиться в том же пространстве, сидя прямо друг на друге. Бозоны, частицы, переносящие взаимодействие, вместе могут создать макроскопическое силовое поле типа гравитационного, удерживающее нас на Земле, или магнитного поля, которое заставляет отклоняться стрелку компаса.

Физики обычно считают слова «сила», «взаимодействие» и «связь» практически синонимами. Это отражает одну из глубоких истин, которая открылась физикам в XX веке: силы можно рассматривать как результат обмена частицами. (Как мы увидим позже, можно сказать и так: силы «возникают из колебаний полей».) Когда Луна чувствует гравитационное притяжение Земли, можно сказать, что между двумя этими небесными телами курсируют туда-сюда гравитоны (которые, правда, пока еще не обнаружены). Когда электрон захватывается атомным ядром, это происходит потому, что между ними произошел обмен фотонами. Но взаимодействия также ответственны и за другие процессы, происходящие с элементарными частицами, к примеру за аннигиляцию и распад, а не только за отталкивание и притяжение. Когда распадаются радиоактивные ядра, мы можем приписать эти события работе либо сильных, либо слабых ядерных сил, в зависимости от того, какой распад происходит. Силы в физике элементарных частиц отвечают за множество разнообразных процессов.

Помимо бозона Хиггса, о котором пока умолчим, мы знаем четыре вида сил, каждому из которых отвечает свой тип бозонов. Есть гравитация, очевидно, связанная с частицей, названной гравитоном. Нужно признать, что мы пока реально не наблюдали отдельных гравитонов, поэтому гравитоны часто исключаются из обсуждения Стандартной модели, хотя, конечно, силой тяжести пренебречь нельзя – все мы ее чувствуем ежесекундно и будем чувствовать всегда, если только не улетим в космос. Гравитация является силой, и, согласно основным правилам квантовой механики и теории относительности, обязательно существует частица, связанная с гравитационным взаимодействием. Ее назвали «гравитон».

А еще есть электромагнетизм – в 1800-х годах физики выяснили, что электричество и магнетизм – проявления одной и той же основной силы. Частицы, связанные с электромагнитными взаимодействиями, называются фотонами, и их-то мы все время непосредственно и наблюдаем. Частицы, которые ощущают электромагнитное взаимодействие, – заряженные, а те, которые не ощущают, – нейтральные. Электрические заряды могут быть положительными или отрицательными, причем одноименные заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные – притягиваются. Способность одноименных зарядов отталкиваться друг от друга играет невероятно важную роль в устройстве Вселенной. Будь электромагнитные силы исключительно силами притяжения, каждая частица притягивала бы все остальные частицы, и все вещество во Вселенной сколлапсировало бы в одну гигантскую черную дыру. К счастью, кроме притяжения у нас есть еще и электромагнитное отталкивание, и это делает жизнь интересней.

Ядерные силы

У нас есть два типа «ядерных» сил, называемых так из-за того, что в отличие от гравитационного и электромагнитного взаимодействия они действуют только на очень коротких расстояниях, сопоставимых с размером ядра атома или еще меньших. Существует сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает кварки внутри протонов и нейтронов, и его частицы носят выразительное имя – глюоны (клейкие частицы). Сильные ядерные силы (естественно) очень сильны, и глюоны взаимодействуют с кварками, но не с электронами. Глюоны имеют нулевую массу, как фотоны и гравитон. Когда взаимодействие переносится безмассовыми частицами, логично предположить, что их влияние распространяется на очень большие расстояния, однако сильное взаимодействие, вопреки ожиданиям, очень короткодействующее.

В 1973 году Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек показали, что сильное взаимодействие обладает удивительным свойством: чем больше расстояние между кварками, тем сильнее они притягиваются друг к другу. В результате, когда вы пытаетесь оторвать два кварка друг от друга, вам приходится затрачивать все больше и больше энергии, так что в конечном счете выгоднее просто создать новые кварки. Это все равно что пытаться растянуть резиновую нить, на каждом конце которой сидит кварк. Вы можете тянуть за оба конца, но никогда не отделите один конец от другого. А когда при сильном натяжении резиновая полоска порвется, появятся два новых конца. Таким образом, отдельных свободных кварков не существует – они (как и глюоны) обречены на заточение внутри более тяжелых частиц. Эти тяжелые составные частицы, состоящие из кварков и глюонов, называются адронами – именно в их честь БАК получил свое название. Гросс, Политцер и Вильчек в 2004 году получили за это открытие Нобелевскую премию.

Еще есть слабая ядерная сила, которая полностью оправдывает свое название. Хотя слабая сила и не играет большой роли в нашей обычной жизни здесь, на Земле, она, тем не менее, очень важна для существования жизни: именно она, эта сила, заставляет светить Солнце. Солнечная энергия возникает в результате превращения протонов в ядра гелия, для чего сначала требуется превратить некоторые из этих протонов в нейтроны, что и происходит с помощью слабых взаимодействий. Но здесь, на Земле вы не заметите проявления слабых сил, если, конечно, только вы не физик-ядерщик или не специалист в физике элементарных частиц.

Переносчики слабых сил – три различных вида бозонов, их обозначают просто буквами: есть электрически нейтральный Z-бозон и два различных W-бозона – один с положительным электрическим зарядом и один – с отрицательным, их обозначают для краткости W+– и W−-бозоны. W– и Z-бозоны по стандартам элементарных частиц довольно массивные частицы (примерно такие же тяжелые, как атом циркония). Их трудно создать, а разваливаются они невероятно быстро. Оба этих фактора объясняют, почему слабые взаимодействия такие слабые.

В обычной речи мы используем слово «сила» для обозначения совершенно разных вещей. Это и сила трения, возникающая, когда что-то скользит по чему-то, и сила удара при ударе об стену, и сила сопротивления воздуха при падении перышка на землю, – все это мы называем силами. Как можно заметить, ни одна из них не попала в наш список из четырех сил природы, и ни у одной из них нет связанных с ней бозонов. Вот в этом разница между использованием термина в физике элементарных частиц и в повседневной жизни. Все макроскопические силы, которые мы испытываем на себе в повседневной жизни, начиная с той, что прижимает нас к спинке сидения, когда мы нажимаем на педаль газа автомобиля, и до внезапного рывка собачьего поводка в руке, когда собака вдруг видит кошку и срывается с места, – все они в конечном счете являются сложными побочными эффектами действия фундаментальных сил. Все эти повседневные явления, за исключением, правда, силы тяжести (но ее довольно просто отличить – она все тянет вниз), представляют собой просто проявления электромагнетизма и его взаимодействия с атомами. Это колоссальное достижение современной науки – уметь свести огромное многообразие мира, существующего вокруг нас, всего лишь к нескольким простым элементам.

Поля правят миром

Давно было замечено, что одна из этих четырех сил выделяется из прочих своей странностью – это слабая сила. Заметим, что гравитационному взаимодействию соответствуют гравитоны, электромагнитному – фотоны, а сильному взаимодействию – глюоны. По одному виду бозонов для каждой силы. Слабому же взаимодействию соответствуют сразу три различных бозона – нейтральный Z– и два заряженных W-бозона. И сами эти бозоны также ведут себя весьма странно: испуская W-бозон, фермион одного вида может превратиться в фермион другого вида, например нижний кварк может испустить W-бозон и превратиться в верхний кварк. Нейтроны, которые состоят из двух нижних кварков и одного верхнего, распадаются, когда оказываются вне ядра, – один из нижних кварков испускает W-бозон, и нейтрон превращается в протон, который состоит из двух верхних и одного нижнего кварков. Ни одна другая фундаментальная сила не меняет вида частиц, с которыми взаимодействует.

По большому счету слабое взаимодействие – сплошная головная боль. И причина проста – всему виной бозон Хиггса.

Бозон Хиггса в корне отличается от всех других бозонов, которые, как мы увидим в главе 8, возникают из-за какого-либо вида симметрии природы, связывающей происходящее в разных точках пространства. Как только возникает такая симметрия, неизбежно появляется бозон. Но не таков бозон Хиггса. Нет такого базового принципа, который бы требовал его введения, но он тем не менее существует!

После того как 4 июля на БАКе объявили об открытии бозона Хиггса, были предприняты сотни попыток объяснить, что это все должно означать. Сложность проблемы состоит главным образом в том, что на самом деле интересен не столько сам бозон Хиггса, сколько поле Хиггса, которое порождает этот бозон. Из физики, точнее из квантовой теории поля – основного свода законов физиков элементарных частиц, которым ученые неукоснительно следуют, – известно, что все возможные частицы на самом деле возникают из полей. Но квантовой теории поля детей в средней школе не учат. И в популярных книгах по физике она не часто обсуждается. Мы рассказываем о частицах, квантовой механике и теории относительности, но редко вытаскиваем на поверхность лежащие в основе всех этих теорий волшебные свойства квантовой теории поля. Однако, когда речь заходит о бозоне Хиггса, избежать обсуждения решающей роли поля во всех этих процессах уже невозможно.

Когда ученые говорят о «поле», имеется в виду «что-то, что имеет некоторую величину в каждой точке пространства». Температура земной атмосферы является полем – в каждой точке на поверхности Земли (или на любой высоте над поверхностью) воздух имеет определенную температуру. Плотность и влажность атмосферы также являются полями. Но это не фундаментальные поля – это просто свойства самого воздуха. Электромагнитное или гравитационное поля, напротив, считаются фундаментальными. Они не сделаны ни из чего другого, они – то, из чего состоит мир. Согласно квантовой теории поля, абсолютно все сделано из одного поля или комбинации полей, а то, что мы называем «частицами», – крошечные колебания этих полей.

И здесь как раз выходит на сцену «квантовая» часть квантовой теории поля. Можно долго рассказывать о квантовой механике – возможно, самой таинственной теории из всех, когда-либо придуманных человеком, но нам понадобится от нее только одно простое заключение (но с которым так трудно смириться, что даже великий Эйнштейн его не принял): мир, на который мы смотрим, сильно отличается от того, каким он является на самом деле.

Физик Джон Уилер однажды поставил задачу: как наилучшим образом объяснить квантовую механику, используя не более пяти слов? В современном мире технически легко получить варианты ответов на любые вопросы, допускающие короткий ответ. Нужно просто отправить запрос в твиттер, размер сообщений в котором ограничивается 140 символами. Когда я задал в «Твиттере» этот вопрос о квантовой механике, лучший ответ прислал Аатиш Бхатия (@ aatishb): «Не смотришь – волны, смотришь – частицы». Это краткое изложение квантовой механики.

Каждая частица в составе Стандартной модели, если копнуть глубже, оказывается волной колебаний определенного поля. Фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия – это колебания электромагнитного поля, распространяющиеся в пространстве. Гравитоны – это колебания гравитационного поля, глюоны – колебания глюонного поля и так далее. Даже фермионы – частицы вещества – это колебания соответствующего фермионного поля. Существует поле электронов, поле верхних кварков и поля всех других видов частиц. Подобно тому как звуковые волны распространяются в воздухе, колебания распространяются в квантовых полях, и мы их наблюдаем в виде частиц.

Немного раньше мы упомянули о том, что частицы с малой массой занимают больше места, чем частицы с большими массами. Это происходит потому, что частицы на самом деле не маленькие шарики с однородной плотностью, а квантовые волны. Каждая волна имеет длину, и это дает нам общее представление о ее размерах. Длина волны еще и определяет ее энергию: чтобы создать волну с меньшей длиной, требуется больше энергии, так как ее частота больше, и волне приходится меняться от одной точки к другой быстрее. А масса, как давно научил нас Эйнштейн, это всего лишь форма существования энергии. Так что чем меньше масса, тем меньше энергия, тем больше длина волны, тем больше размер. А чем больше масса, тем больше энергия и тем меньше длина волны и меньше размеры.

Уходим от нуля

Поля в каждой точке пространства характеризуются некими величинами. В пустом пространстве эти величины, как правило, равны нулю. Под «пустым» мы подразумеваем то, что оно «настолько пустое, насколько возможно», или – более конкретно – «с минимальным возможным значением энергии». Согласно этому определению, в действительно пустом пространстве такие поля, как гравитационное и электромагнитное, принимают нулевое значение. Если они имеют ненулевое значение, значит, в них запасена энергия, и, следовательно, пространство уже не пустое. Конечно, согласно принципу неопределенности квантовой механики, во всех полях имеются крошечные колебания, но эти колебания происходят вокруг некоторого среднего значения, обычно равного нулю.

Поле Хиггса не такое. Хотя оно и напоминает другие поля и тоже может быть нулевым или принимать некоторое другое значение, поле это не хочет быть равным нулю – оно хочет принять определенное постоянное ненулевое значение везде во всей Вселенной. Энергия поля Хиггса имеет меньшую величину при ненулевом значении поля, чем при нулевом.

В результате пустое пространство оказывается заполненным полем Хиггса. Не сложным набором колебаний, которым соответствует набор отдельных бозонов Хиггса, а именно постоянным полем, составляющим постоянный фон. Это то самое вездесущее поле, которое есть в каждой точке Вселенной и которое делает слабое взаимодействие таким, как оно есть, и наделяет элементарные частицы-фермионы массой. Бозон Хиггса, обнаруженный на БАКе, является колебанием этого поля вокруг среднего значения.

Поскольку частица Хиггса бозон, она связана с силой природы. Две массивные частицы могут пролететь друг мимо друга и провзаимодействовать с помощью обмена бозонами Хиггса точно так же, как две заряженные частицы могут взаимодействовать друг с другом путем обмена фотонами. Но не сила Хиггса наделяет частицы массой, и не вокруг нее поднят весь этот шум. Поле Хиггса, присутствующее везде в качестве фона, – вот что дарит частицам массу. Именно оно обеспечивает среду, через которую движутся другие частицы, и в процессе этого движения влияет на их свойства.

Бозон Хиггса. Основная разница между полем Хиггса и другими полями в том, что его среднее значение в вакууме не равно нулю. Во всех полях из-за имеющихся в квантовой механике соотношений неопределенности возникают малые колебания. Большие колебания воспринимаются нами как частицы.

Перемещаясь в пространстве, мы оказываемся окружены полем Хиггса и движемся в нем. Подобно рыбе, плывущей в воде, мы обычно не замечаем этого поля, но именно оно привносит в Стандартную модель всю присущую ей таинственность.

Промежуточные итоги

Существует большая, глубокая и сложная физика, связанная с концепцией бозона Хиггса. Но прямо сейчас просто подытожим наши познания о том, как поле Хиггса работает и почему оно столь важно. Приступим сразу.

• Мир состоит из полей, пронизывающих все пространство, эти поля мы ощущаем по их колебаниям, которые воспринимаются нами как частицы. Большинство знакомо с электрическими и гравитационными полями, но в соответствии с квантовой теорией поля даже такие частицы, как электроны и кварки, на самом деле представляют собой колебания соответствующих полей.

• Бозон Хиггса есть колебание поля Хиггса, так же как фотон – колебание электромагнитного поля.

• Четыре известные силы природы порождаются разного рода симметриями – то есть изменениями, которые мы можем внести в ситуацию, не повлияв принципиально на результат. (На первый взгляд кажется нелепым, что «изменения, которые не влияют на результат», приводят непосредственно к появлению «силы природы «…но это так, и это было одним из поразительных открытий физики XX века.)

• Симметрия иногда бывает скрытой и потому невидимой для нас. Физики часто говорят, что скрытые симметрии «нарушены», но все еще присутствуют в основных законах физики – просто они завуалированы в нашей каждодневной жизни.

• В частности, слабое ядерное взаимодействие вытекает из определенного вида симметрии. Если бы эта симметрия была ненарушенной, элементарные частицы не имели бы массу и все летали бы со скоростью света.

• Но большинство элементарных частиц имеют массу и не летают со скоростью света, значит, симметрия слабых взаимодействий нарушена.

• Если пространство абсолютно пусто, это означает, что большинство полей выключено, то есть равно нулю. Если поле не равно нулю в пустом пространстве, оно может нарушить какую-нибудь симметрию. В случае слабых взаимодействий эту работу выполняет поле Хиггса. Без него Вселенная была бы совершенно другой.

Ну как, понятно? Признаться, все это действительно трудно сразу воспринять. Но, поверьте мне, все встанет на свои места, когда мы закончим путешествие по остальным главам.

Следующие главы будут посвящены обсуждению идей, которые объясняют механизм Хиггса и методики, использованные при экспериментальных поисках бозона Хиггса. Начнем мы с краткого обзора частиц и сил, укладывающихся в стройную конструкцию Стандартной модели, затем проследим, какие хитроумные приемы применяют физики, чтобы открыть новые частицы, как они используют новейшие технологии и смекалку. Затем опять вернемся к теории, дабы разобраться в полях, симметриях и в том, как поле Хиггса прячет от нас симметрии. И наконец, я расскажу, как бозон Хиггса был обнаружен, как новость об этом облетела мир, кто получил награду и что это значит для будущего.

Становится понятным, почему Леон Ледерман полагал, что название «частица Бога» очень подходит бозону Хиггса. Этот бозон является скрытым элементом машинерии, с помощью которой Вселенная показывает нам фокус, раздавая разным частицам разные массы и делая физику элементарных частиц такой интересной. Без бозона Хиггса замысловатое разнообразие Стандартной модели свелось бы к безликому набору очень похожих частиц без определенных свойств, а все фермионы оказались бы практически безмассовыми. В такой Вселенной не было бы ни атомов, ни химии, ни нас. Бозон Хиггса – это то, что вдохнуло во Вселенную жизнь в самом прямом смысле слова. Если бы требовалось выбрать единственную частицу, заслуживающую такого высокого звания, без сомнения, это был бы бозон Хиггса.

Глава 3

Атомы и частицы

Мы разрываем материю на части, чтобы найти основные кирпичики, из которых она построена, – кварки и лептоны.

В начале 1800-х годов немецкий терапевт Самуэль Ганеман заложил основы гомеопатии. Разочаровавшись в эффективности методов тогдашней медицины, Ганеман разработал новый подход, основанный на принципе «лечения подобного подобным». Ганеман утверждал, что лечить болезнь можно в первую очередь с помощью субстанции той же природы, что и субстанция, вызвавшая данный недуг, нужно только ее правильно приготовить. Способ приготовления назывался потенцированием и состоял в последовательном разбавлении вещества водой и энергичного встряхивания раствора после каждого акта разбавления. Обычно при разбавлении смешивают одну часть вещества с 99 частями воды. Гомеопатические препараты так и готовятся: разбавляют, встряхивают, еще раз разбавляют, еще раз встряхивают, и так 200 раз.

Недавно Криспиан Яго – профессиональный консультант по программному обеспечению и по совместительству член общества скептиков-любителей из Хемпшира – решил публично продемонстрировать нелепость гомеопатии как медицинского метода. Для этого он решил применить метод последовательного разбавления, использовав легкодоступное вещество – собственную мочу. Полученный раствор он затем выпил. Поскольку он был не очень терпеливым, то разбавлял мочу только 30 раз. Для наукообразности он назвал мочу не «мочой» (urine), а «писой» (piss), а затем заявил, что разработал лекарство для лечения состояния «being pissed», что переводится либо как «быть рассерженным» (на американском английском), либо как «быть пьяным» (на британском английском). И естественно, выложил эти результаты для широкого обозрения в виде скандального видеоролика на сайте YouTube.

У Яго были веские причины не переживать из-за того, что придется пить мочу, разведенную 30 раз в соотношении 1:99, поскольку к тридцатому разведению полученный таким образом раствор вообще не содержал первоначального вещества. Не просто «незначительного количества», а на самом деле ничего – конечно, если процесс разведения был проделан достаточно аккуратно.

Объясняется это тем, что все в окружающем нас мире – моча, алмазы, картофель-фри, действительно все – состоит из атомов, как правило, объединенных в молекулы. Эти молекулы – самые мелкие кирпичики вещества, которые все еще можно считать частичками этого вещества. По отдельности два атома водорода и один атом кислорода – только атомы, в соединении друг с другом в молекуле они становятся водой.

Поскольку все вещества состоят из атомов и молекул, мы не можем разбавлять вещество бесконечно и считать, что оно все еще сохраняет свою идентичность. Чайная ложка мочи содержит примерно 1024 молекул. Если мы один раз ее разбавим, смешав 1 часть мочи с 99 частями воды, у нас останется 1022 молекул мочи. Разведем два раза, и у нас останется 1020 молекул. К тому времени, когда мы разбавим двенадцать раз, в ложке раствора останется в среднем только одна молекула исходного вещества. А дальше идет обычное очковтирательство – просто смешивается вода с еще большим количеством воды. Приблизительно за 40–50 разведений мы смогли бы разбавить до одной молекулы все вещество известной Вселенной.

Поэтому когда Яго закончил процедуру и сделал свой показательный глоток, вода, которую он пил, была столь же чиста, как и вода из крана. Сторонники гомеопатии, конечно, знают все это, но считают, что молекулы воды сохраняют «память» о любом веществе, первоначально в ней растворенном, а приготовленный таким образом раствор даже действеннее, чем первоначальное вещество. Это не соответствует всему, что мы знаем из физики и химии, да и клинические испытания гомеопатических препаратов показывают, что их эффективность в борьбе с болезнью не выше, чем у плацебо.

Однако людям часто свойственно не доверять фактам. А ведь один из самых замечательных фактов – это то, что вещество состоит из атомов и молекул. И кроме того, для создания многообразия всего, существующего в нашем наблюдаемом мире, требуется лишь несколько фундаментальных элементарных частиц, способных образовывать различные комбинации.

На первый взгляд «зоопарк» частиц выглядит сложным и устрашающим, но на самом деле существует всего двенадцать частиц вещества, которые распадаются точно на две группы по шесть: кварки, которые участвуют в сильных ядерных взаимодействиях, и лептоны, которые этого не делают. История открытия элементарных частиц – это удивительная история, длившаяся столетие: начиная с обнаружения электрона в 1897 году и до открытия последнего элементарного фермиона (тау-нейтрино) в 2000 году. Здесь мы проведем краткую экскурсию по «зоопарку», а более подробное описание частиц и их характеристики приведем в Приложении 2. Когда все разложится по полочкам, мы будем иметь относительно простой набор частиц, из которых сделано все остальное.

Изображения атомов

Все видели схематические изображения атомов. На этих рисунках атомы похожи на крошечные солнечные системы: в центре – ядро, а вокруг него, каждый по своей орбите, вращаются электроны. Эта схема используется в качестве логотипа Комиссии по атомной энергии США. Однако на самом деле такое изображение атома – искусный обман.

Эта картинка – по сути модель атома Бора, названная в честь датского физика Нильса Бора, использовавшего в определении структуры атома идеи квантовой механики. До этого была принята другая модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом, английским физиком, уроженцем Новой Зеландии. В модели атома Резерфорда электроны вращались вокруг ядра на самых разных расстоянии, подобно планетам в реальной Солнечной системе (с той разницей, что на электроны действует электромагнитная сила, а не сила тяжести). Бор модифицировал эту идею, внеся ограничение, согласно которому электроны могут находиться только на определенных орбитах, и это явилось крупным шагом вперед в объяснении экспериментальных данных, касающихся спектров атомов. Теперь мы знаем, что электроны на самом деле вообще не «вращаются», потому что они в реальности не имеют точного «положения» или «скорости». Квантовая механика говорит, что электрон существует в виде облака вероятности, называемого «волновой функцией», которая показывает, где мы могли бы обнаружить частицу, если бы принялись ее искать.

Схематическое изображение атома, в данном случае атома гелия. Ядро расположено в центре и состоит из двух протонов и двух нейтронов, а два электрона «вращаются» на некотором расстоянии вокруг него.

Со всеми этими оговорками, если мы хотим получить лишь некоторое интуитивное представление о том, что в атоме происходит, сложившееся у нас в голове схематичное представление о том, как он выглядит, не так уж плохо. Ядра в центре, электроны на окраинах. Электроны относительно легкие, больше 99,9 % всей массы атома находится в ядре, а ядро состоит из смеси протонов и нейтронов. Нейтроны немного тяжелее, чем протоны, – нейтрон тяжелее электрона примерно в 1842 раза, а протон – примерно в 1836 раз. И протоны, и нейтроны называются «нуклонами», поскольку являются частицами, входящими в состав ядер. Оба нуклона удивительно похожи друг на друга, только вот протон имеет электрический заряд, а нейтрон – нейтрален, и, как уже было сказано, чуть-чуть тяжелее.

Подобно многим вещам в нашей жизни, строение атома определяется тончайшим балансом сил. Электроны притягиваются к ядру электромагнитной силой, которая гораздо сильнее, чем сила тяжести. Электромагнитное притяжение между электроном и протоном примерно в 1039 раз сильнее гравитационного притяжения между ними. Но в то время как гравитация – вещь простая (всё притягивает всё), электромагнитное взаимодействие является более хитрым. Нейтроны получили свое название потому, что они нейтральны, то есть вообще не имеют электрического заряда. И следовательно, электромагнитное взаимодействие между электроном и нейтроном равно нулю.

Частицы с одноименным электрическим зарядом отталкиваются друг от друга, в то время как противоположности, в соответствии с романтическими клише, притягиваются. Электроны притягиваются к протонам, находящимся внутри ядра, поскольку электроны отрицательно заряжены, а протоны – положительно. Но тогда возникает вопрос: почему упакованные так плотно внутри ядра протоны не отталкивают друг друга? Дело в том, что их взаимное электромагнитное отталкивание действительно существует, но оно значительно слабее, чем сильное ядерное взаимодействие. Электроны не чувствуют этого сильного взаимодействия (как нейтроны не чувствуют электромагнитного), а вот протоны и нейтроны его очень даже чувствуют, и именно поэтому могут объединяться друг с другом и образовывать атомные ядра. Однако только до определенного предела. Если ядро становится слишком большим, электрическое отталкивание усиливается настолько, что протонам уже трудно удержаться вместе, и ядро приобретает радиоактивные свойства: оно поживет еще какое-то время, а потом распадется на меньшие ядра.

Антиматерия

Все, что вы видите вокруг прямо сейчас, или видели своими глазами, или слышали своими ушами, а также воспринимали с помощью любого из органов чувств когда-либо прежде, – все это составлено из электронов, протонов и нейтронов, на которые действуют три силы – гравитация, электромагнетизм и ядерная сила. Последняя удерживает вместе протоны и нейтроны в ядрах атомов. В начале 1930-х годов был открыт нейтрон, и физикам стала известна вся троица этих частиц – электроны, протоны и нейтроны. В то время, должно быть, трудно было не поддаться искушению и не поверить, что эти три фермиона – действительно самые важные, фундаментальные ингредиенты Вселенной, то есть основные блоки конструктора «Лего», из которых все строится. Но у природы было припасено для нас еще несколько сюрпризов.

Первым, кто понял в общих чертах, как ведут себя фермионы, стал английский физик Поль Дирак. В конце 1920-х годов он вывел уравнение, описывающее поведение электрона. Физикам понадобилось много времени, чтобы понять эту работу Дирака. Непосредственным следствием уравнения Дирака является наличие у каждого фермиона частицы противоположного вида, названной античастицей. Частицы антивещества имеют точно такую же массу, что и их визави из вещества, но противоположный электрический заряд. Когда частицы и античастицы встречаются вместе, они, как правило, аннигилируют с высвобождением энергии, и если мы сможем собрать вместе некоторое количество частиц антиматерии, это даст нам (теоретически) отличный способ запасти энергию. Эта идея породила множество сюжетов в научно-фантастической литературе на тему ракетных двигателей, работающих на антивеществе.