Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Предисловие

Cо склона горы, на которой стоит французская деревушка Крозе, окрестности просматриваются на многие мили вокруг. Внизу по полям рассыпаны деревни и фермы, между которыми петляют редкие узкие дороги. Казалось бы, в пейзаже нет ничего необычного, если бы не несколько современных зданий, образующих огромное кольцо. Вот они-то, эти здания, как раз очень необычны. Под некоторыми из них прорыты глубокие шахты, и именно там расположена самая крупная и сложная установка из когда-либо созданных человечеством. Если бы сказочный великан вырвал это кольцо из земли и поставил вертикально, оно бы поднялось над землей более чем на пять миль. И потребляет гигантская установка столько же электроэнергии, сколько современный крупный европейский город.

А называется это сооружение Большой адронный коллайдер (Atom Smasher, сталкиватель атомов) (БАК). БАК стоит миллиарды долларов, и управляют им сотрудники ЦЕРНа, Европейской организации по ядерным исследованиям, расположенной на окраине Женевы. Более двадцати стран в складчину заплатили за этого Левиафана, а чтобы его построить, потребовалось более десяти лет. Десять тысяч ученых в лабораториях, раскиданных по всему миру, участвуют в экспериментах, ставящихся на БАКе, и анализируют результаты, которые получают на этой гигантской установке.

Внутри коллайдера фрагменты атомов разгоняются почти до скорости света и сталкиваются друг с другом. Эти срежессированные искусственные акты воссоздают условия, существовавшие в первые мгновения после Большого взрыва, давшего начало Вселенной. В ярких вспышках первобытной энергии ученые ищут разгадки самых глубоких тайн мироздания.

Одна из этих тайн, возможно наиболее интригующая, мучит ученых уже почти полвека. Дело в том, что пока никто не может объяснить, почему вещество имеет массу. Теоретики каждый раз подходят к решению, казалось бы, очень близко, но всегда что-то ускользает. Разбейте какой-нибудь предмет на кусочки, потом разотрите их в пыль, потом в атомы, потом во фрагменты атомов, и в конечном итоге вы дойдете до мельчайших строительных блоков материи. У всех у них есть масса, но вот почему, не знает никто.

В 1964 году некий физик, имея перед собой только ручку и бумагу, наткнулся на решение, которое большинство ученых сегодня считают ответом на этот вопрос. Случилось это в Эдинбурге, а звали того физика Питер Хиггс. Хиггс предположил существование невидимого поля, которое проникает в каждый уголок космоса. В нулевой момент времени поле находилось в “спящем” состоянии, но, как только новорожденная Вселенная стала расширяться и охлаждаться, оно ожило и во всеуслышание заявило о своем присутствии. В этот момент строительные блоки материи превратились из невесомых в весомые. Частицы обрели массу. Последствия этого события мы видим вокруг себя. Они — основа нашего существования.

Без этого поля Вселенная была бы наполнена множеством частиц, носящихся вокруг со скоростью света. Атомов и молекул не существовало бы. Космическая пыль никогда не собралась бы вместе и не сформировала галактики, звезды и планеты; не существовало бы знакомой нам структуры Вселенной, и не появились бы условия для возникновения жизни.

Один ученый в ЦЕРНе однажды сказал мне, что поле Хиггса похоже на снег, который выпал ночью и покрыл землю в этом идиллическом уголке на французско-швейцарской границе. Представьте себе снежное поле, раскинувшееся бесконечно далеко во всех направлениях. Лучи света легко скользят по нему: они проносятся, как бы не замечая снега. Некоторые частицы “обуты в снегоступы” и движутся менее стремительно. Другие “идут босиком” и проваливаются, их удел — тащиться со скоростью улитки. Масса частицы — просто мера того, насколько она тормозится полем.

Большой адронный коллайдер был разработан, чтобы прояснить для всех раз и навсегда истинную природу поля, придуманного Питером Хиггсом. В коллайдере должны создаваться возмущения поля Хиггса, которые являются признаком появления частиц, называемых бозонами Хиггса. Это как раз те “снежинки”, которые составляют наше космическое “снежное” поле, и недостающий окончательный аргумент, необходимый ученым для ответа на вопрос, волнующий всех, — почему вещество обладает массой.

ЦЕРН — не единственное место, где охотятся за бозонами Хиггса. На окраине Чикаго физики из Фермилаба, где расположен второй по мощности коллайдер в мире, тоже ищут частицы Хиггса. Для ученых двух лабораторий по обе стороны Атлантики эта многолетняя гонка значит невероятно много.

Но существует более важный стимул найти частицу Хиггса, чем честолюбие ученых. Эти частицы — последний недостающий элемент Стандартной модели, свода законов, которые описывают все известные частицы во Вселенной. Все больше ученых считают, что частицы Хиггса не только раскроют тайну массы, но и откроют ворота в скрытый мир частиц и сил, в который мы только-только входим.

Из-за неуловимого характера и огромного значения частицы Хиггса один физик, нобелевский лауреат, дал ей потрясающее название — частица Бога. Прочитав книгу, вы увидите, что существует немного тем, способных так сплотить физиков, как их отвращение к этому названию. Их чувства по этому поводу могут сравниться только с удовольствием журналистов, пишущих о науке, — для них сие красивое название стало поистине спасительным.

Эта книга является историей о том, как Вселенная обрела массу, как идея, записанная в блокноте почти полвека назад, оказалась в эпицентре всеобщей охоты, поглотившей миллиарды долларов, охоты, в которой задействованы тысячи ученых и самые крупные и сложные научные установки из всех, когда-либо построенных на Земле. И с какой бы стороны ни посмотреть на эту историю, она выглядит весьма массивно и весомо.

Глава 1

Долгая дорога в Принстон

Поездка из Северной Каролины в Приннсстон может занять большую часть дня, да и то, если вам повезет. Путь лежит вдоль Восточного побережья на север, вокруг необъятной глади Чесапикского залива и дальше на Вашингтон, Балтимор и Филадельфию. И вот вы наконец попадете в город, который когда-то стал родным для величайшего физика современности — Альберта Эйнштейна.

Питер Хиггс упаковал кое-какую одежду и папку с теоретическими выкладками и вместе со своей женой Джоди и шестимесячным сыном Кристофером вышел к машине. Уложив чемодан, он стал внимательно изучать дорожный атлас. Наконец подходящий путь выбран. Машина мягко тронулась с места и поехала на северо-восток по трехполосным улицам в направлении автострады. Было раннее утро, и город медленно оживал под мягкими лучами весеннего солнца.

Это было 14 марта 1966 года, спустя год после того, как Хиггс, физик из Университета Эдинбурга, приехал работать в университет городка Чапел-Хилл в Северной Каролине1. На его статьи обратил внимание выдающийся ученый, который пригласил его дать семинар в Принстонском институте перспективных исследований, одном из ведущих мировых научных центров. Семинар был обречен на жаркие дискуссии: Хиггс обнаружил явление, которое могло объяснить происхождение массы!

Поездка в Принстон оказалась не простым академическим визитом. Она выдвинула Хиггса в центр внимания научного сообщества и положила начало крупнейшей охоте в истории современной физики. Охоте с использованием установок, стоящих миллиарды долларов и занимающих десятки километров подземных туннелей, и тысяч ученых, десятилетиями пытающихся найти частицы, на которых строится теория Хиггса. Мантра этих ученых проста: найдем частицы Хиггса, и тайна возникновения массы будет раскрыта...

На протяжении веков мыслители даже не представляли, что масса существовала не всегда, по крайней мере в современном смысле слова. Слово “масса” описывало то, сколько вещества, материи находилось в предмете, а слово “материя” являлось не более чем красивым термином для обозначения вещества. Кусок горной породы обладал большей массой, чем буханка хлеба такой же величины (если только у пекаря не случился неудачный день), и этим было все сказано. Понятие массы было настолько интуитивно ясно и осязаемо, что никто всерьез над ним и не размышлял.

Смутное и неполное понятие массы, возникшее в древности, было развито в Средние века. Эгидий Римский (Жиль де Ром), выдающийся теолог и один из самых влиятельных мыслителей конца XIII века, сделал важный концептуальный шаг, проведя различие между размером объекта и количеством вещества, содержащегося в нем2. Глыба льда, к примеру, явно изменяла форму, когда сначала, растаяв, превратилась в воду, потом, испарившись, превратилась в пар, который затем, сконденсировавшись, замерз и снова превратился в твердый кусок. Тем не менее, как говорил Эгидий, количество вещества на всех этапах превращений оставалось прежним. Это наблюдение, несомненно сделанное в процессе оживленной богословской дискуссии о пресуществлении (превращении хлеба и вина в Тело и Кровь Христову), отражает современные определения объема и массы.