Гвидо Тонелли
Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь к частице Бога и Новая физика, которая изменит мир
Guido Tonelli
La nascita imperfetta delle cose
La grande corsa alla particella dl dio e la nuova fisica che cambiera il mondo
Дмитрия Баюка
Печатается по соглашению с Международным Литературным Агентством ELKOST
Издание осуществлено при поддержке “Книжных проектов Дмитрия Зимина”
Эта книга издана в рамках программы “Книжные проекты Дмитрия Зимина” и продолжает серию “Библиотека фонда «Династия»”.
Дмитрий Борисович Зимин – основатель компании “Вымпелком” (
Программа “Книжные проекты Дмитрия Зимина” объединяет три проекта, хорошо знакомых читательской аудитории: издание научно-популярных книг “Библиотека фонда «Династия»”, издательское направление фонда “Московское время” и премию в области русскоязычной научно-популярной литературы “Просветитель”.
Подробную информацию о “Книжных проектах Дмитрия Зимина” вы найдете на сайте
ziminbookprojects.ru
© 2016–2017 Rizzoli Libri S.p.A., Milan
© 2018 Mondadori Libri S.p.A. / BUR, Milan
© Д. Баюк, перевод на русский язык, 2024
© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2024
© ООО “Издательство Аст”, 2024
Издательство CORPUS ®
Предисловие научного редактора
Предлагаемая вашему вниманию книга – это рассказ от первого лица об открытии самой необычной и, пожалуй, самой долгожданной элементарной частицы, бозона Хиггса. Автор книги – Гвидо Тонелли, физик-экспериментатор с огромным опытом, участвовавший в создании и работе эксперимента CMS на Большом адронном коллайдере. Тонелли – непосредственный участник событий и, более того, официальный представитель CMS как раз в те годы, когда поиск бозона Хиггса выходил на финишную прямую. В его книге изложение научной стороны вопроса переплетается с живым рассказом о людях, которые его окружали все это время: физиках старшего поколения, коллегах-экспериментаторах, родителях, друзьях и даже о персонажах, которые так или иначе вмешивались в работу эксперимента. В результате получилась субъективная, во многом очень личная история того, как совершалось самое важное за последние десятилетия открытие в физике элементарных частиц, – и именно этой личной перспективой книга Тоннели прежде всего и ценна.
Точка зрения автора проявляется и в изложении научных и технических сторон исследования: в подборе тем, заслуживающих более подробного рассказа, в выборе того, какую научную мотивацию исследования он считает ключевой, наконец, в формулировках, которые автор выбирает для популярного изложения достаточно сложных теоретических и технических аспектов работы. Надо сказать, что не под всеми утверждениями автора подписалось бы большинство физиков и далеко не все его формулировки в научно-популярном описании явлений я считаю удачными. Однако мы вместе с переводчиком посчитали правильным дать слово самому Тонелли – даже если он в чем‑то неточен – и не досаждать читателю излишними примечаниями. В книге исправлены лишь очевидные описки, а примечания даны там, где дополнительная информация будет полезна или где корректное описание явления важно для понимания процессов.
Оригинальное издание книги на итальянском языке вышло в 2016 году, по горячим следам, спустя считанные годы после открытия частицы. С тех пор прошло почти десять лет, некоторые научные приоритеты и планы на будущее изменились, и мы посчитали, что будет нелишним отразить и эти изменения. В конце книги вы найдете послесловие научного редактора с уточнениями некоторых научно-популярных описаний и кратким рассказом о том, что в этой области физики произошло с момента выхода книги.
Ну а пока устраивайтесь поудобнее – вас ждет живой репортаж с переднего края науки.
Пролог
Суета и тревоги по поводу размеров
9
Мне надо бежать. Остается совсем мало времени до закрытия магазина “Ганс Алльде” на Биргер Ярлсгатан, 58. Туда от “Гранд-отеля” пара километров пешком. Я передал им все свои размеры по электронной почте еще на прошлой неделе, тут не должно быть сюрпризов, но мне все равно немного тревожно. И уже темнеет. Совсем недавно здесь, в Стокгольме, светило солнце. В прозрачном воздухе при десяти градусах ниже нуля все казалось искрящимся. Вот только Балтика меня разочаровала: море вовсе не было покрыто льдом, как я того ожидал. Я никогда не видел моря подо льдом и надеялся наконец‑то им полюбоваться. Давно мечтал об этом.
Прошлым летом мы встречались здесь с Питером Хиггсом и Франсуа Англером[1]. В Стокгольме проходил тогда конгресс Европейского физического общества, и во время ужина мы оказались за одним столом. Питер сидел между мной и Фабиолой Джанотти, а напротив располагался Франсуа Англер, которого одолевали многочисленные друзья, коллеги и студенты, желавшие поздороваться и сделать фото. Я тогда сказал, что нам надо снова встретиться здесь в конце года. Питер и Франсуа улыбнулись, но промолчали.
Я физик и занимаюсь элементарными частицами; измерять самые сложные свойства материи в ее самых экзотических формах – это моя профессия; но вот задачка по отправке в магазин готового платья своих размеров, чтобы получить новый костюм для торжественного случая, поставила меня в тупик. Конечно, измерить рост и окружность шеи – это легко, но что такое длина штанины или объем талии? Откуда на ноге должна начинаться штанина, и на какой высоте находится талия? Чтобы не ошибиться, я попросил помощи у Лучаны, моей жены, и она все мне объяснила и постаралась успокоить. Но волнение не отпускало. А что если я все перепутал? Они получили все размеры в конце ноября, и теоретически мой новый фрак должен бы сидеть на мне идеально. Но магазин закрывается через час, а торжественная церемония уже завтра. Если что‑то пойдет не так, второго шанса мне никто не даст!
То‑то будет номер, если без соответствующего костюма, предусмотренного протоколом, меня попросту не пропустят в Концертный зал[2]. Нет, что за глупости! О таком даже думать нельзя! Меня здесь все знают, и все знают, что я здесь: будущие лауреаты лично рассылали приглашения весьма придирчиво отобранным гостям. Как бы я объяснил потом, что не смог поучаствовать в торжественной церемонии вручения Нобелевских премий лишь из‑за того, что не умею пользоваться портновским метром?
Я спешу в магазин, а в мозгу у меня проносятся воспоминания об успехах двух последних лет. Мне кажется, что я очутился во снах, сменяющих друг друга с головокружительной скоростью. Неужели все это происходило на самом деле?
Глава 1
Ставки сделаны
Улыбка Вольтера
28
Я просыпаюсь, словно от толчка; на часах 6.30 утра. Сегодня особый день. Решающий момент наступит в 9.00, когда я войду в кабинет генерального директора ЦЕРН[3] и встречусь там лицом к лицу с Фабиолой. Мы – охотники за бозоном Хиггса, самой неуловимой частицей в истории физики. Журналисты называют ее “частицей Бога”, но есть и те, для кого это “священный Грааль физики”, ибо она ускользала от нескольких поколений ученых. Мы же уверены, что нам удалось ее изловить.
Сейчас мне нужно выпить кофе, и покрепче. Моя старая добрая гейзерная кофеварка, захваченная из Италии, шипит и посвистывает. И, как всегда, я первым делом проверяю в компьютере состояние
Я его
А Фабиола – шеф другого эксперимента, который называется ATLAS (
Когда пять лет назад я вошел в состав руководства экспериментом, мы с Лучаной переехали из Пизы в Ферне-Вольтер, небольшой французский городок, построенный вокруг имения великого философа. С террасы нашей спальни видны окна кабинета Вольтера в замке на холме. Именно там он написал своего “Кандида”. Именно там встречался с Адамом Смитом и Джакомо Казановой. Усаженная деревьями аллея ведет от замка к озеру Леман. Вольтер проезжал по ней всякий раз, когда французская цензура становилась уж слишком агрессивной: тогда он на несколько месяцев перебирался в Женеву и возвращался в Париж лишь после того, как буря начинала утихать.
Ферне-Вольтер занимает стратегическое положение в центре треугольника, вершины которого определяют значительную часть моей здешней жизни. Одна из них – это основная площадка ЦЕРН; там находятся мой офис и основное отделение CMS. Вторая – Пункт 5, или P5: там, в Сесси, деревушке в предгорьях Юрá, расположен детектор. И, наконец, третья вершина воображаемого треугольника – это Женева, известный на весь мир маленький город с 200 тысячами жителей 180 национальностей и богатейшей культурной жизнью.
Вблизи Женевы, под землей, находится Большой адронный коллайдер (LHC
Однако мне уже пора. Надо поторопиться. Воздух прозрачен и свеж; на фоне неба вырисовывается изящный силуэт Монблана, окруженный цепочкой облаков. Я ощущаю странную смесь усталости и возбуждения.
Проезжая на машине через центр города, миную статую Вольтера. Лицо у старого философа, “патриарха”, как его часто называют в Ферне, скептическое, именно с таким выражением наблюдал он за ходом истории. Но сегодня я охвачен энтузиазмом и потому мне кажется, что Вольтер, глядя на меня, улыбается. Я мчусь мимо полей, отделяющих Ферне от ЦЕРН, и повторяю про себя: наконец‑то бозон попался!
А еще я думаю о Фабиоле. Наши эксперименты, ATLAS и CMS, изначально задумывались как независимые и получили поддержку как раз благодаря тому, что между нами планировалось нечто вроде соревнования: мол, каждый будет стремиться получить результат первым. Мы использовали различные технологии, и это гарантировало полную независимость измерений: если один обнаруживал новую частицу, другой должен был подтвердить полученный результат. В обе международные коллаборации входило более трех тысяч ученых. Но у “этих из ATLAS” с самого начала была фора: больше и людей, и средств. ATLAS все время словно бы играл роль первого ученика. На стадии строительства они всегда строго укладывались в график, а мы отставали. И пока мы спешно устанавливали последние компоненты детектора, они уже добрых несколько месяцев собирали данные. А их диспетчерская! Она так и радует глаз – просторная, экипированная новейшими технологиями визуализации! Наша же мрачна и по‑монашески сурова; к тому же в ней вечно толпится народ и царит неразбериха. Чтобы добраться до нас, надо на целых десять километров углубиться в сельскую местность, тогда как ATLAS располагается прямо у главного входа в ЦЕРН. Мимо как раз проходит дорога в аэропорт, и всякий, кто туда направляется, видит импозантный мурал, украшающий одну из стен их корпуса. Понятно, что министры, президенты и прочие главы государств чаще решают заглянуть к ним, а не к нам.
Мы отвечали тем, что старались обгонять их в анализе данных и получении результатов. Мы могли рассчитывать на наш детектор, устроенный проще и обладающий более высокой производительностью. В первый год мы их обходили. Мы публиковали десятки статей, одну за другой, а они тихо работали, пока все вокруг удивлялись: а где же там наши отличники? Но потом они пошли в контратаку, так что теперь, в финале гонки за бозоном Хиггса, мы идем бок о бок.
Фабиола – прекрасный физик и прирожденный лидер. А еще она итальянка, и мы с ней добрые друзья уже много лет. Время от времени мы устраиваем ужины для общих друзей, и у нас получаются очень приятные посиделки. Мы разговариваем обо всем на свете – за единственным исключением: не обсуждаем
Я взволнованно нажимаю кнопку лифта в Корпусе 500. Кабинет генерального директора на пятом этаже. Когда я вхожу, на часах 8.58. Фабиола уже здесь. Мы близки к финалу – настало время открыть карты. Хотя мы и обнаружили определенные свидетельства, окончательного доказательства пока нет. Когда же оно появится? Кто из нас совершит открытие века? И кому придется удовольствоваться вторым местом и тем самым обречь свой эксперимент на забвение?
Но точно ли у нас в руках бозон Хиггса? И почему эта окаянная “частица Бога” так важна?
Кварки, глюоны, Большой взрыв и чайные ложки
Мы относимся к необычному типу современных исследователей. Наша задача – понять, откуда взялась та чудесная материальная вселенная, которая нас окружает и частью которой являемся и мы сами. Мы те, кого люди называют
Я всегда говорю это своим студентам в первый же день наших занятий. Я хочу, чтобы у них не оставалось даже тех незначительных иллюзий, которые пока еще сохранились. Все то, о чем рассказывает нам современная физика, и то, что она позволяет нам постигнуть, – не более чем незначительная толика реальности. Материя, буквально вся материя: круассаны с кремом и море, деревья и звезды, галактики и межзвездный газ, черные дыры и реликтовое излучение – одним словом, все то, о чем можно было строить гипотезы или даже наблюдать напрямую с помощью мощнейших телескопов и других современнейших научных инструментов, – составляет не более чем 5 % Вселенной. Остальные 95 % – нечто совершенно неизвестное.
Века исследований и интеллектуальных усилий, прогремевшие концептуальные революции (вроде квантовой механики и общей теории относительности), повсеместное укоренение чувства собственного всемогущества, связанного с появлением все более и более изощренных технологий… но в конечном счете в гигантском океане неведомого мы можем распоряжаться лишь несколькими каплями познания. К ним‑то и сводится вся современная наука.
В этом заключается особая прелесть того, чем мы занимаемся. Забавно, что многие думают, будто мы, ученые, все знаем. Каждый раз, когда я слышу подобное, мне бывает трудно сдержать улыбку и я старательно пытаюсь объяснить собеседнику, насколько осторожны должны мы быть в своих утверждениях. Нам известна вся опасность ошибок, и потому мы со вниманием относимся даже к мельчайшим деталям, не вписывающимся в общую картину.
Часто меня веселит изумление в глазах людей, которые слышат, что для ученого
А что уж тогда говорить о звездном небе, на которое смотрит каждый из нас, к примеру, в ночь на святого Лаврентия, желая увидеть там падающую звезду! Небо влюбленных, небо малышей, которые возводят свои взоры к рою звезд Млечного пути и – поколение за поколением – повторяют один и тот же вопрос, адресованный дедушке или бабушке, вопрос, заданный мне моей внучкой Еленой, когда ей было четыре года: что такое все эти светящиеся точки на небе?
Это хороший вопрос, заключающий в себе
Фотоны, путешествующие от далеких звезд, таких, например, как звезда Садр в созвездии Лебедя, стартовали еще в те времена, когда Римская империя только начинала шататься под ударами варваров[4]. А фотоны от супергиганта V762 в созвездии Кассиопеи были испущены в эпоху обледенения, когда Европу покрывал слой льда в сотни метров толщиной. А слабые лучи света от Туманности Андромеды, ближайшей к нам галактики, которую можно увидеть в ночном небе невооруженным глазом, начали свой путь еще тогда, когда в ущельях Олдувай в Африке новая и очень странная раса обезьян принялась осваивать просторы саванны.
И это мы еще не упоминаем того, что
Небесный свод, каким он нам является, – настоящая машина времени! Но это не удивляет никого из людей. Никто не таращит в изумлении глаза, глядя на это чудо, повторяющееся каждую ночь, как это бы наверняка случилось, если бы мы, проезжая долину в Доломитах, слева заметили мирно пасущихся коров, в центре – Одоакра, ведущего орду герулов на Равенну, чтобы навсегда покончить с Западной Римской империей, а справа, на огромном леднике, – группу наших предков в шкурах, преследующих одного из последних мамонтов.
Так что реальность сильно отличается от того, что мы видим; она намного сложнее, чем мы можем себе представить, и наука с трудом отвечает даже на самый простой из тех вопросов, что человечество задает со времен своего младенчества: откуда это все взялось?
Первая трудность зиждется на том факте, что Вселенная, в которой мы живем сегодня, сильно отличается от той, которая дала начало всему. Нам повезло оказаться в теплом и уютном уголке космоса – места в целом исключительно холодного. Средняя температура во Вселенной приблизительно –270 °C, то есть она всего несколькими градусами выше абсолютного нуля, минимального возможного значения температуры. Но в момент своего рождения Вселенная, напротив, была раскалена значительно сильнее, чем мы можем себе представить: она была настолько горяча и взвихрена, что до сих пор не удалось установить значение ее температуры.
Мы также знаем, что Вселенная уже очень стара. Самые последние данные позволяют оценить ее возраст в 13,8 млрд лет. И разве можно надеяться понять ее происхождение, просто наблюдая холодную и старую материю, нас окружающую? В ранней Вселенной условия, создаваемые экстремальными температурами, были совсем иными, и поэтому сейчас нам трудно понять, что именно творилось тогда.
Но, с другой стороны, у нас нет выбора. Если мы хотим постичь происхождение материи и до конца понять ее свойства, нам надо ухитриться добраться до тех самых первых мгновений. Это колоссальный интеллектуальный вызов, однако на кону стоит познание мира!
В начале всего была незначительная флуктуация вакуума. Банальная, незаметная квантовая флуктуация, одна из многих – из тех, что с неизбежностью случаются в микромире. Но эта конкретная флуктуация все‑таки отличалась от других – у нее была одна особенность, открывшая ей дорогу к чему‑то совершенно новому: вместо того чтобы сразу схлопнуться, как это происходило с неисчислимым числом прочих флуктуаций, она с немыслимой скоростью раздулась, и из нее родилась материальная Вселенная гигантских размеров… а за рождением последовала и эволюция. Если нам удастся понять эти первые мгновения жизни новорожденной вселенной, мы почти наверняка поймем, что с ней станется потом.
Вот для чего был построен Большой адронный коллайдер – особое место, где людям лучше всего удалось воссоздать условия первых мгновений жизни Вселенной и где ищутся ответы на важные вопросы, касающиеся того, что нас окружает и о чем мы пока знаем так мало.
И стал свет
Картина, возникающая на основании последних исследований, абсолютно удивительна. В наипервейшие мгновения своей жизни Вселенная прошла стадию, которую мы называем
Термин “инфляция” знаком каждому – им описывают в экономике рост цен, и он указывает на что‑то раздувающееся и подразумевает быстрый экспоненциальный рост. Именно такое явление происходило в самые первые мгновения после Большого взрыва[5], когда то, чему было суждено стать нашей Вселенной, обладало совсем незначительными размерами. Это нечто совершенно особое.
В тот момент на сцену внезапно выходит элементарная частица под названием
Была ли у ранней Вселенной фаза космической инфляции? Ученые до сих пор активно дискутируют об этом. Космологическая теория, ее предусматривающая, появилась в начале 1980‑х годов, но прямая улика, так сказать,
Но самый веский аргумент вот каков: все данные, собранные в последние тридцать лет, удивительным образом ложатся в предсказания теории.
В известном смысле мы можем наблюдать инфляцию даже сегодня, благодаря удивительной однородности микроволнового космического фона, – этого океана фотонов с очень низкой энергией, которые заполняют собой все пространство и недвусмысленно свидетельствуют о первых мгновениях жизни Вселенной, подобно некоему ископаемому, которое во всех деталях сообщает нам о том, что происходило миллиарды лет назад.
Космический микроволновый фон изучен нами в мельчайших деталях, причем с помощью самых чувствительных инструментов, какие только можно себе вообразить. Если бы наши глаза могли видеть то, что способен наблюдать “Планк” – орбитальная обсерватория, собравшая о нем (о микроволновом фоне) наиточнейшие сведения, нам бы открылась волшебная картина возвышающегося над нами неба. И прежде всего мы бы увидели его невероятную однородность, которую можно объяснить лишь тем, что все, что нас окружает, – это результат расширения одной исчезающе малой точки. Но еще мы бы увидели буйство красок, порождаемое незначительными колебаниями температуры космического излучения: эти‑то колебания и есть реликты квантовых флуктуаций в крошечной сингулярности, из которой все появилось. Если бы мы могли взглянуть на небо глазами “Планка”, то мы бы увидели тот уголок первородной пустоты, который, расширяясь благодаря инфляции сверх всякой меры, и породил в итоге всю нашу Вселенную.
И все же – что такое
Остаться в живых в мультиверсуме
Даже если мы согласны с тем, что Вселенная прошла через инфляционную фазу, мы должны признать: нет никаких гарантий, что происходившее здесь, у нас, происходило везде. Более того: было бы вполне разумно еще немного поднапрячь свое воображение и задуматься о том, что наша Вселенная – это всего лишь малая часть намного более обширной реальности.
Все наши наблюдения ограничены горизонтом, и мы не можем ни прикоснуться к чему‑то, что находится за
Итак, у нас складывается картинка
Сейчас это всего лишь спекуляции – нет шансов получить им какие‑либо экспериментальные подтверждения. Но эти рассуждения еще больше (и не исключено, что даже необратимо) отдаляют нас от традиционных представлений о том, что мы, люди, занимаем во Вселенной некое особое место. Сначала мы думали, что все в мире крутится вокруг нашей планеты; потом – причем с огромным трудом – мы переместили в центр мира Солнце. Позднее до нас дошло, что Солнце – это самая заурядная звезда в ничем не примечательной галактике, одна из многих (из примерно 100 миллиардов) в нашей Вселенной, и нам осталось утешаться тем, что мы живем в