Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса
Радиовещание — яркий пример того, как понимание законов природы может дать толчок техническому прогрессу, меняющему жизнь людей на земле. Если вам когда-нибудь понадобится аргумент в пользу необходимости фундаментальных — оторванных от реальности — исследований, то история создания радиовещания — самый убедительный из аргументов.
Все началось с Дафти — так одноклассники прозвали будущего юного Джеймса Максвелла. Тогда, в годы его учебы в эдинбургской школе, над ним часто посмеивались за сильный дамфрисширский акцент и “эксцентричную деревенскую” внешность, и его грубые самодельные башмаки только усугубляли впечатление35. Но Максвелл был гений. Его работы проложили дорогу всем современным средствам связи, от радио и цифрового телевидения до мобильных телефонов и спутниковой навигации.
Когда мы чествуем великих людей и говорим о замечательном наследстве, которое они нам передали, мы рискуем потерять из виду их реальные достижения. Восторгаясь технологиями, основанными на работах Максвелла, можно не заметить концептуальный прорыв, лежащий в основе его достижений. Максвелл выдвинул две основные идеи, которые во многом сформировали современную физику. Обе они играют ключевую роль в истории с Хигедгсом. Во-первых, это введенное Максвеллом понятие “поля”, которое считалось в то время спорной и бездоказательной концепцией36. Вторая его замечательная идея — способ работы в науке. Максвелл показал, что секрет великих открытий — в установлении связи между, казалось бы, не связанными друг с другом природными явлениями. Идея оказалась настолько плодотворной, что стала рабочей философией ученых.
В 1860 году в возрасте 29 лет Максвелла уволили с должности профессора физики в Маришальском колледже в Абердине (несмотря на то, что он был женат на дочери ректора), после чего молодой ученый перебрался в Королевский колледж в Лондоне, заняв там аналогичную должность. Время, проведенное Максвеллом в Королевском колледже, было, возможно, наиболее плодотворным периодом в его жизни, и именно там он занялся проблемами электричества и магнетизма. Его интерес к ним вызвали эксперименты Майкла Фарадея, которые тот проделал несколькими годами ранее. Фарадей брал катушку с намотанным на сердечник проводом в одну руку и магнитный стержень в другую. Когда он вдвигал магнит внутрь катушки, в катушке возникал электрический ток, а когда держал магнит неподвижно, ток исчезал. Фарадей описал эффект так: “Движущийся магнит создает электрическое поле”.
Из поразительных экспериментов Фарадея было ясно: электричество и магнетизм как-то связаны, но вот как? Этого не знал никто. И тогда Максвелл решил понять, можно ли их связать математически. Формулы, которые он вывел, показали, что электричество и магнетизм не только связаны, но фактически являются двумя сторонами одной медали. На бумаге уравнения Максвелла выглядят экзотичными и абстрактными, но, если подставить в них числа, они начинают жить! Итак, они показывают, что движущийся магнит создает электрическое поле. Но это только начало. Вновь созданное электрическое поле создает собственное магнитное поле, а то, в свою очередь, другое электрическое поле. И так далее. Колебания электрического и магнитного полей провоцируют друг друга, бесконечно распространяясь в пространстве...
Однако Максвелл этим не ограничился. Пораженный чудесными колебаниями электромагнитного поля, он пошел дальше. А как быстро поля удаляются от своих источников? Ответ был ошеломляющим: они распространяются со скоростью света! Увидев, что этот ответ получается из расчета, сделанного им в тетрадке, Максвелл, должно быть, почувствовал волнение, известное только тому, кто первым раскрыл какую-либо из глубоких тайн природы, — ведь он предположил, что колебания электромагнитного поля и есть свет.
Благодаря работам Максвелла концепция полей получила твердое обоснование. Этим он заложил необходимую основу для работы Питера Хиггса, использовавшего поля для объяснения природы массы. Позже Эйнштейн воздал должное Максвеллу, открывшему глаза ученым на важность понятия поля, написав: “Это изменение концепции описания реальности является самым глубоким и плодотворным из тех, что физика испытала со времен Ньютона37.”
Ученые получили и другой великий урок от Максвелла38. В поисках связи между двумя разными явлениями — электричеством и магнетизмом — Максвелл раскрыл глубинные тайны природы. То, что началось с попытки объяснить опыты Фарадея, закончилось созданием теории света. Вслед за этим пришло открытие других видов электромагнитных волн, в том числе радиоволн, которые и разнесли голос Нелли Мельбы над Челмсфордом и передали первые нечеткие изображения в телевизионные устройства образца 1920 года.
Работы Максвелла поставили перед учеными, размышлявшими о природе материи, новую задачу. В то время преобладала ньютоновская модель мироздания, то есть считалось, что все в природе может быть объяснено в терминах вещества, принимающего ту или иную форму. Веришь в это — и нет необходимости во введении полей, ведь с помощью законов Ньютона можно описать всю материю и движение космоса как единую гигантскую механическую систему.
Очевидный конфликт идеологий возникал при определении сущности света. Ньютон утверждал, что луч света — поток крошечных частиц, или корпускул, а Максвелл говорил, что свет — волны. Тут возникал вопрос: что такое распространение волн? Какова природа электромагнитного поля? Эти вопросы ставили в тупик и самого Максвелла. Реакция тогдашних ученых показывает, как трудно поколебать хорошо укоренившиеся в науке представления. В поисках ответа было предложено ввести понятие эфира — странной формы материи, которой якобы заполнена вся Вселенная39. Световые волны, говорили защитники сей идеи, — это волны сжатия в эфире, подобно тому как звуковые волны — в воздухе.
Чтобы убедиться в существовании эфира, нужно было провести некоторые исследования. Ученые знали, что звуковые волны распространяются быстрее в жидкостях, чем в воздухе, и еще быстрее в твердых телах. Они также знали о невероятно большой скорости света. Отсюда следовало, что если свет представляет собой волны сжатия в эфире, то эфир — действительно некое экзотическое вещество, причем невидимое и не мешающее движению планет, ведь даже малейшее сопротивление полету этих небесных тел привело бы к их торможению и в конце концов — к весьма грациозному падению по спирали на Солнце.
Многие полагают, что введение эфира было серьезным заблуждением, но не будем столь категоричны. Детально разработанные неверные концепции иногда приносят пользу, заполняя бреши в нашем понимании природы. В лучшем случае заблуждения в науке какое-то время играют положительную роль, в худшем же они существенно тормозят прогресс подобно тому, как удачный выстрел не всегда способен остановить движение солдата, но зато может сделать его продвижение вперед мучительно болезненным и медленным.
Чудеса природы часто приводят в качестве доказательств грандиозной работы Бога, так было и с эфиром40. Если бы он реально существовал, то должен был бы иметь немыслимые размеры, обладать абсолютной прозрачностью и другими свойствами, которые трудно согласовать друг с другом. Для людей религиозных взглядов, а Максвелл был верующим человеком, было очевидно — только Господу под силу создать такое вещество. Лорд Кельвин, выдающийся ученый того времени, не сомневался, что свет распространяется в виде волн сжатия в эфире. (Впрочем, он также считал, что у радио нет никакого будущего, и утверждал, что идея создания пассажирских самолетов может прийти в голову только людям с куриными мозгами — понятно, что такие самолеты никогда не оторвутся от земли41.) Пример Кельвина очень красноречив. Мы видим, что научные теории в будущем часто оказываются неправильными, а кроме того, ученые редко понимают, какую технологию завтра может породить их сегодняшнее открытие.
Максвелловская теория света поставила концепцию поля на прочную основу и тем самым заложила фундамент теории Хиггса. Но, чтобы Хиггс смог совершить свой прорыв в науке, понадобился еще более драматический поворот событий. Квантовая революция началась через двадцать лет после смерти Максвелла, и первый ее этап закончился в год рождения Хиггса. Ни в одну другую эпоху физики не пребывали в таком замешательстве, а сама наука физика никогда не была столь противоречива.
Величайшие научные революции порой начинаются с кажущихся на первый взгляд малозначительными экспериментов. Квантовая физика началась с наблюдения за изменениями цвета печи по мере нагрева. Этот эксперимент был не самым эффектным событием в истории науки, но он породил одну из самых важных теорий в физике XX века. Для обычного ученого этот эксперимент, возможно, так и остался бы незначительным. Но Макс Планк, усатый физик из Берлинского университета, был далеко не обычным человеком — он был просто одержим желанием понять законы природы. Эйнштейн писал, что Планком движет “голод души”42. Говорили, что его страсть познания была сродни страсти влюбленного.
