Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса
Когда при суммировании получается неправильный ответ, это обычно означает, что мы что-то упустили. Вот, к примеру, протон. Он состоит из двух верхних кварков и одного нижнего. Если вы сложите их массы, то получите всего 1 процент массы протона. Но откуда же остальные 99 процентов его массы? То же самое происходит и с нейтроном, который содержит один верхний кварк и два нижних. Если ньютоновское определение массы, согласно которому масса — просто мера количества вещества, было бы правильным, то суммирование масс кварков дало бы правильный ответ. Но Ньютон знал только часть правды. Недостающая масса берется откуда-то еще.
Сложная это штука — масса. А насколько сложная, стало ясно в 1905 году, когда 26-летний Альберт Эйнштейн, работая днем в патентном ведомстве в Берне, в Швейцарии, а вечерами занимаясь физикой, написал и опубликовал статью под названием “Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?”. Забегая вперед, скажем, что ответ положительный. Эйнштейн показал, что масса и энергия взаимозаменяемы, более того — масса может рассматриваться как мера содержания энергии в теле. Для научного сообщества эта идея прозвучала как гром среди ясного неба. Она — прямое следствие специальной теории относительности Эйнштейна16. Именно тогда Эйнштейн вывел уравнение m = Е/с2, где масса предмета равна его энергии, деленной на квадрат скорости света. Переписав, получаем всем хорошо знакомое уравнение Е = mс2, из которого легко увидеть, что из-за гигантских значений скорости света (около 300 000 километров в секунду) даже в объектах с маленькой массой содержится огромное количество энергии.
Открытие Эйнштейна в определенной степени объясняет, почему масса протона больше, чем сумма масс его частей. Масса трех кварков внутри протона равна всего лишь одному проценту массы протона, но они удерживаются вместе благодаря чрезвычайно сильным взаимодействиям. Основная часть массы протона приходится на энергию движения кварков внутри протона и энергию их связи. Это приводит нас к замечательному выводу: большая часть массы любого объекта — от вашей любимой собаки до мобильного телефона — определяется огромной энергией, которая в нем заключена и благодаря которой объект остается единым целым.
Взаимосвязь между массой и энергией, открытую Эйнштейном, лучше всего демонстрируют гигантские ускорители, которые физики используют для изучения субатомных частиц. Столкните две частицы друг с другом на достаточно высоких скоростях, и осколки при столкновении, скорее всего, будут содержать более тяжелые частицы, чем исходные. Энергия, выделяющаяся при столкновении, практически мгновенно переходит в массу новых частиц.
Совместными усилиями Ньютон и Эйнштейн заложили основы нашего понимания природы масс, но в 1960-х годах стало ясно, что не хватает чего-то еще. Ученые никак не могли объяснить, откуда элементарные частицы получили свою массу. Именно эту тайну теория Хиггса, кажется, объяснила. И именно с ее помощью ученые надеются найти полное объяснение происхождения массы всей известной нам материи.
Питер Хиггс прибыл в Чапел-Хилл 6 сентября 1965 года. Оставив Джоди, которая была в то время беременна, у ее родителей в городе Урбана, штат Иллинойс, он принялся обустраивать их новый дом. Начав работу в университете, он приступил к своей первой большой работе о происхождении массы. 24 сентября, когда он трудился в факультетской библиотеке, его позвали к телефону — голос в трубке сообщил, что Джоди только что родила их первого сына, Кристофера.
Закончив статью о массе в ноябре, Хиггс послал один экземпляр в редакцию журнала и еще несколько — физикам, которым, как он думал, она будет интересна. Теория Хиггса описывала критический момент рождения Вселенной, хотя тогда, в 1965 году, это было еще не совсем понятно. Молодой ученый показал, что поначалу строительные блоки материи вообще ничего не весили. Элементарные частицы были совершенно невесомыми. Затем, через доли секунды после Большого взрыва — события, которое запустило жизнь во Вселенной, — что-то случилось17. Некое энергетическое поле, распространенное во всем пространстве, вдруг включилось, и в тот же самый момент безмассовые частицы, которые носились вокруг со скоростью света, были захвачены этим полем и приобрели массу. И чем сильнее они чувствовали воздействие поля, тем тяжелее становились.
Время начало отсчет 13,7 миллиарда лет тому назад, когда случился самый первый взрыв18. Вселенная тогда была микроскопическим сгустком огромной энергии, слишком перегретая, чтобы в ней действовали известные нам сейчас законы природы. Но в мгновение ока (если бы там поблизости был кто-нибудь, кто мог бы мигнуть оком) Космос вырос до размеров волейбольного мяча и охладился достаточно (примерно до 10 тысяч триллионов градусов Цельсия), чтобы поле Хиггса ожило. И тут же первые строительные блоки материи были укрощены, они сделались тяжелыми и медлительными, как мухи в супе.
Поле Хиггса определило структуру Вселенной и ее способность поддерживать жизнь в том виде, в котором она существует. Без поля элементарные частицы, строительные блоки материи, вели бы себя как фотоны — кванты света. Частицы бы не собирались в атомы, которые мы наблюдаем сейчас. Не возникли бы химические элементы19. Не появились бы звезды и планеты, и наша Солнечная система, как и другие уголки Вселенной, осталась бы навсегда безжизненной пустыней.
В основе теории Хиггса — частица, связанная с этим массообразующим полем. Так называемый бозон Хиггса в определенном смысле есть часть поля, оставшаяся после того, как оно наделило частицы массами20. Самая большая мечта ученых сегодня — показать, что эта частица существует, и тем самым доказать теорию Хиггса.
Вскоре после того, как Хиггс разослал ученым свою статью, в его офис в Чапел-Хилле пришел первый отклик — от Фримена Дайсона. (Во время Второй мировой войны англичанин Дайсон служил в команде бомбардировщиков Королевских ВВС. Он пересек Атлантику в возрасте 23 лет, сжимая в руке письмо, в котором было написано, что он признан лучшим математиком Англии. За истекшее время он стал знаменитым ученым и профессором принстонского Института перспективных исследований.)
Послание было дружественным и более чем лестным. Дайсон говорил, что получил огромное удовольствие от последней работы Хиггса — она прояснила ему вопросы, над которыми он ломал голову последнее время. Он попросил Хиггса провести весной семинар в институте и на нем рассказать про свою теорию. Хиггс был ошарашен и принял предложение не раздумывая.
Восторги Дайсона по поводу статьи Хиггса не означали, что того ждала легкая поездка. В Институте перспективных исследований в то время работали, пожалуй, лучшие физики в мире. Этот знаменитый научный центр основал в 1930-х годах известный американский филантроп Луис Бамбергер. Самый известный сотрудник института, Альберт Эйнштейн, проработал там последние двадцать пять лет своей жизни, пытаясь объяснить, как возникли силы, существующие в природе. Работал там и австро-американский логик Курт Гёдель — пересматривал пределы человеческого познания. Он часто досаждал Эйнштейну, заявляя, что его знаменитая теория допускает путешествия во времени21. Отец современных компьютерных наук Джон фон Нейман в этом институте занимался переносом математической стратегии игры в покер на политическую стратегию, которая должна была помочь выиграть холодную войну22.
Но ключевой фигурой в институте был Роберт Оппенгеймер, возглавлявший Манхэттенский пронкт по созданию атомной бомбы. Он стал главой института в 1946 году и тоже внес свой вклад в фантастическую ауру этого места. Оппенгеймер славился своим вспыльчивым характером и острым языком и мог проявить себя не лучшим образом, случись ему появиться на еженедельном институтском семинаре. Нередко он запугивал не слишком уверенных в себе докладчиков, жестоко высмеивая их, непрерывно поправляя и не давая возможности ответить. За это Дайсон его не любил, и время от времени между двумя учеными после окончания семинаров возникали перебранки. Дайсон сказал мне однажды: “Оппенгеймер всегда старался мне объяснить, что бы я сказал, если бы был так же умен, как он”23.
Хиггс вел машину дальше, думая о своем докладе на завтрашнем семинаре. Пожалуй, аудитория будет сильно отличаться от тех, перед которыми он выступал раньше24. Погрузившись в свои мысли, он почти забыл о том, что ведет машину! Хиггс съехал на обочину, сделал несколько глубоких вдохов и попытался успокоиться. Какое счастье — впереди ученый увидел дорожный знак. Поворот на Принстон был уже через милю. Он почти у цели.
Институт перспективных исследований находится на расстоянии мили от Принстона, а его территория представляет собой сад, раскинувшийся на 800 акров. Вместо того чтобы поехать прямо в институт, Хиггс сделал круг по городу, а потом припарковался у почты. Зайдя, он перекинулся парой слов со служащим, и тот вынул из конторки конверт с выпущенной в честь дня рождения Эйнштейна 8-центовой маркой (Эйнштейн родился как раз в этот день, только в 1879 году) и проштемпелевал его. На марке была фотография великого физика, сделанная 20 лет назад Филиппом Халсманом, другом семьи Эйнштейна. (Халсман провел некоторое время в австрийской тюрьме по подозрению в убийстве своего отца во время прогулки в Альпах. На самом деле Халсман-старший сам упал в пропасть, это была трагическая случайность, но свидетелей не было, и Филипп попал в тюрьму. Позже его освободили благодаря вмешательству Эйнштейна.) Хиггс, увидев марку, возмутился — там было написано, что Эйнштейн — “известный американец”. Хотя Эйнштейн и принял американское гражданство в 1940 году, Хиггс считал его по духу европейцем. Тем не менее он подумал, что марка с Эйнштейном понравится Николасу Кеммеру, его другу и наставнику из Эдинбургского университета, и отправил конверт в Шотландию.
