Стивен Вайнберг - Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы

Я не вижу никаких научных или логических оснований не искать утешения путем настройки наших верований: такие основания связаны только с моралью или чувством чести. Что бы мы подумали о человеке, который сумел убедить себя, что он обязательно должен выиграть в лотерею, поскольку страшно нуждается в деньгах? Кто-то может поддержать его большие ожидания, но большинство будет думать, что этот человек не оправдывает своей роли взрослого, рационально мыслящего человеческого существа, способного трезво глядеть в лицо действительности. Подобно тому, как каждый из нас с возрастом учится преодолевать искушение серьезно относиться к таким вещам, как лотереи, все мы должны постепенно понять, что мы не являемся звездами в какой-то великой космической драме.

Тем не менее, я ни в коем случае не думаю, что наука когда-либо подарит такое же утешение перед лицом смерти, какое дает вера. Наилучшее известное мне изложение этого экзистенциального выбора можно найти в «Церковной истории Англии»[233], написанной Бедой Достопочтенным примерно в 700 г. н.э. Беда рассказывает, как король Англии Эдвин Нортумбрийский собрал в 627 г. совет, чтобы решить, какую религию принять подданным его страны, и приводит следующую речь одного из приближенных короля:

«Ваше Величество, когда мы сравниваем теперешнюю жизнь человека на Земле с той, о которой мы ничего не знаем, она представляется мне быстрым полетом одинокого воробушка через банкетный зал, где Вы пируете зимним днем вместе со своими танами и советниками. Посередине уютно горит огонь, обогревающий зал, а снаружи бушует ветер и валит снег. Этот воробушек влетает в одну дверь зала и вылетает в противоположную. Пока он внутри, он в безопасности от зимних штормов, но после нескольких мгновений уюта он исчезает из виду в снежных вихрях, из которых только что появился. Точно так же и человек ненадолго появляется на Земле. Но о том, что предшествовало его жизни, или что будет после нее, мы не знаем ничего…»

Почти непреодолимо искушение поверить вместе с Бедой и королем Эдвином, что за стенами банкетного зала должно быть еще что-то для нас. Честь противостоять этому искушению – всего лишь крохотный противовес утешению в вере, но и само это противостояние иногда приносит удовлетворение.

Глава XII. В округе Эллис

Мамы, не давайте своим детям вырастать ковбоями,

Не разрешайте им бренчать на гитарах и водить старые грузовики. Пусть лучше из них выйдут доктора и адвокаты.

Округ Эллис штата Техас находится в сердце региона, который когда-то был величайшей областью, где выращивали хлопок, на планете. В главном городе округа Ваксахачи нетрудно заметить следы былого хлопкового процветания. В центре города возвышается построенное в 1895 г. громадное здание из розового гранита с высокой часовой башней – помещение окружной администрации. От центральной площади веером расходятся несколько улиц, застроенных прелестными домами в викторианском стиле, выглядящими так, будто Браттл Стрит перенеслась из Кембриджа на юго-запад. Но сейчас округ сильно обеднел. Хотя в небольшом количестве хлопок выращивается и сейчас, так же как пшеница и кукуруза, но цены уже не те. В сорока минутах езды по шоссе к северу находится Даллас, и несколько преуспевающих жителей этого города переселились в свое время в Ваксахачи в поиске сельской тишины и покоя. Однако быстро растущие в Далласе и Форт Уорте авиационная промышленность и производство компьютеров до округа Эллис не добрались. В 1988 г. число безработных в Ваксахачи составляло 7 %. Неудивительно, что в администрации округа поднялся большой переполох, когда 10 ноября 1988 г. было объявлено, что округ Эллис избран местом строительства самого большого и самого дорогого научного прибора в мире – Сверхпроводящего суперколлайдера (ССК).

Проектирование ССК началось за шесть лет до этого. В то время министерство энергетики занималось хлопотным проектом под названием ИЗАБЕЛЛА, который уже находился в стадии строительства в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг Айленде. Предполагалось, что ускоритель ИЗАБЕЛЛА станет наследником существующего ускорителя в Лаборатории им. Ферми (Фермилабе) под Чикаго, в качестве ведущего американского центра экспериментальных исследований по физике элементарных частиц. Начавшись в 1978 г., строительство ускорителя ИЗАБЕЛЛА сразу же затормозилось на два года из-за проблем с конструкцией сверхпроводящих магнитов, которые должны были удерживать на орбите сфокусированный протонный пучок. Но была и другая, более глубокая проблема, связанная с этим проектом. Хотя после окончания строительства этот ускоритель стал бы самым мощным в мире, все же его мощности не хватало на то, чтобы ответить на вопрос, ответ на который страстно желали получить все физики: как нарушается симметрия между слабым и электромагнитным взаимодействиями?

Описание слабых и электромагнитных взаимодействий в рамках стандартной модели элементарных частиц основано на точной симметрии, подчиняясь которой эти взаимодействия входят в уравнения теории. Однако, как мы видели, эта симметрия отсутствует в решениях уравнений, т.е. свойствах самих частиц и взаимодействий. Любая версия стандартной модели, допускающая такое нарушение симметрии, должна обладать свойствами, которые еще не обнаружены экспериментально – должны существовать либо новые слабовзаимодействующие частицы, называемые хиггсовскими частицами, либо новые сверхсильные взаимодействия. Мы не знаем, какой из вариантов реально осуществляется в природе, поэтому такая неопределенность препятствует продвижению за рамки стандартной модели.

Единственным надежным способом разрешения этого вопроса является эксперимент, в котором есть возможность потратить триллионы электрон-вольт, чтобы породить либо хиггсовские частицы, либо массивные частицы, удерживаемые вместе сверхсильными взаимодействиями. Оказывается, что для этого необходимо довести полную энергию пары сталкивающихся протонов до 40 триллионов эВ, так как энергия каждого протона делится между входящими в его состав кварками и глюонами, и только примерно одна сороковая доля полной энергии может быть использована для рождения новых частиц в процессе соударения любого кварка или глюона из одного протона с кварком или глюоном из другого. Однако недостаточно просто выстрелить пучком протонов энергией 40 триллионов эВ по неподвижной мишени, так как тогда почти вся энергия налетающих протонов будет растрачена на отдачу протонов мишени. Чтобы надежно решить вопрос о нарушении электрослабой симметрии, необходимы два пучка протонов энергией 20 триллионов эВ, которые сталкивались бы лоб в лоб, так что суммарный импульс двух столкнувшихся протонов был бы равен нулю и не было бы никаких потерь энергии на отдачу. К счастью, можно быть уверенными в том, что ускоритель, на котором интенсивные встречные пучки протонов ускоряются до энергии 20 триллионов эВ, способен разрешить проблему нарушения электрослабой симметрии, т.е. на нем будет обнаружена либо хиггсовская частица, либо свидетельства новых сильных взаимодействий.

В 1982 г. среди физиков – теоретиков и экспериментаторов – начала бродить идея, что проект ИЗАБЕЛЛА должен быть отброшен за ненадобностью, и его следует заменить постройкой значительно более мощного нового ускорителя, в опытах на котором можно было бы разрешить проблему нарушения электрослабой симметрии. Тем летом состоялось первое заседание неофициальной рабочей группы Американского физического общества, на котором впервые детально рассматривался проект ускорителя на сталкивающихся протонных пучках с энергиями по 20 триллионов эВ, т.е. в пятьдесят раз больше, чем планировалось в проекте ИЗАБЕЛЛА. В феврале следующего года подкомитет Консультативного комитета по физике высоких энергий Министерства энергетики под председательством Стенли Вожички начал серию встреч, на которых обсуждались параметры ускорителя нового поколения. Члены подкомитета встретились в Вашингтоне с советником президента по науке Джеем Кейвортом и получили от него твердые заверения, что администрация благожелательно отнесется к новому большому проекту.

Подкомитет Вожички провел свое решающее заседание в период с 29 июня по 1 июля 1983 г. в Циклотронной лаборатории им. Невиса Колумбийского университета в округе Вестчестер. Приглашенные физики единогласно рекомендовали построить ускоритель, который мог бы ускорять встречные пучки протонов до энергий 10–20 триллионов эВ. Само по себе это голосование не должно было привлечь особое внимание. Ученые в любой области высказывают рекомендации по созданию нового оборудования для своих исследований. Значительно важнее было то, что десятью голосами против семи было рекомендовано прекратить работы по проекту ИЗАБЕЛЛА. Это было невероятно трудное решение, против которого яростно возражал директор Брукхейвена Ник Самиос. (Позднее Самиос назвал это голосование «одним из самых тупых решений, когда-либо принятых в физике высоких энергий»[234].) Решение не только подчеркнуло поддержку подкомитетом проекта нового большого ускорителя, оно политически чрезвычайно затруднило для Министерства энергетики обращение к конгрессу с просьбой о продолжении финансирования проекта ИЗАБЕЛЛА, а если этот проект приостанавливался и не заменялся никаким другим, то получалось, что министерство энергетики вообще остается без проектов строительства установок по физике высоких энергий.