Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса
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”84.
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 года85. 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.
