Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Глава 8
Разбитое зеркало
Мы тщательно исследуем бозон Хиггса и поле, из которого он образуется, а также выясняем, как он нарушает симметрию и определяет вид Вселенной.
Я сижу за столом в пустом зале для семинаров Калифорнийского технологического института, а напротив меня, по другую сторону стола, сидит местный тележурналист Хэл Эйснер. Между нами – огромная миска попкорна. Эйснер берет кукурузное зернышко, машет им перед моим носом и спрашивает (а на самом деле умоляет объяснить), что же это такое – бозон Хиггса. «Если бы не было бозона Хиггса, это зернышко взорвалось бы? Ведь правда, оно ведь взорвалось бы?»
Тот разговор наш случился 10 сентября 2008 года – в день, когда первые протоны пролетели по кольцу БАКа. Для предыдущего поколения ускорителей запуск был обычным делом, за которым внимательно следила лишь небольшая группа заинтересованных физиков, остальное человечество это событие не интересовало. Но с БАКом все обстояло иначе – внимание всего мира было сосредоточено на нескольких протонах, набиравшихся сил, чтобы в первый раз пролететь весь 27-километровый путь по кольцу.
Именно поэтому в Калтех и другие университеты, расположенные в разных городах и странах, пришли журналисты: они хотели первыми написать о сенсационном событии. В Женеве было раннее утро, а у нас – поздняя ночь предыдущего дня, поскольку время в Калифорнии отстает на девять часов от европейского. Компьютеры были включены, и все могли следить за событиями, хотя сильно возросшая нагрузка на серверы ЦЕРНа вскоре обрушила их. Вскоре заказали пиццу, что существенно помогло собравшимся ученым комфортно перенести ожидание. (Довольно много атомов в организме типичного физика хоть один раз да побывали атомами пиццы.)
И все же слушатели местных новостей резонно задавались вопросом: «Подумаешь, большое дело! Мы знаем, что все это важно, но вот почему?» И всегда одним из первых ответов был такой: «Потому что мы хотим найти бозон Хиггса». Хорошо, ну а почему этот бозон так важен? Что-то связано с массой и нарушением симметрий. Давайте сосредоточимся на главном вопросе: взорвется ли кукурузное зерно?
Правильный ответ «да», взорвется, если бозон Хиггса (или точнее, поле Хиггса, в котором бозон распространяется в виде волны) внезапно исчезнет. Тогда частички обычного вещества больше не смогут удерживаться вместе, и такие предметы, как кукурузные зернышки, сразу взорвутся. Но было бы неправильно думать о бозоне Хиггса как о своего рода силе, которая связывает атомы друг с другом. Поле Хиггса – поле, которое пронизывает все пространство, оно придает массу таким частицам, как электроны, позволяя им образовать атомы, которые, в свою очередь, связываются в молекулы. Без поля Хиггса не было бы атомов, а была бы просто куча частиц, одиноко летающих во Вселенной.
Огромной проблемой нынешней науки является трудность перевода глубоких понятий современной физики на язык повседневной жизни. Вы хотите сказать (несомненно) совершенно правильные вещи, но вы хотите еще, чтобы у людей создалось правильное впечатление, а это не одно и то же. Бессмысленно говорить правильные вещи, если никто не поймет ни слова из того, что вы говорите. Более того, может случиться, что слушатели на основании ваших объяснений даже начнут неправильно представлять себе те или иные явления природы.
К счастью для нас, в истории с бозоном Хиггса все не так уж сложно. Поле Хиггса как воздух для нас или вода для рыб – мы его обычно не замечаем, но оно везде вокруг, без него жизнь была бы невозможна. И это «везде вокруг» имеет буквальный смысл: в отличие от всех других физических полей поле Хиггса отлично от нуля даже в пустом пространстве. Перемещаясь в нем, мы буквально погружены в фоновое поле Хиггса, и именно влияние этого поля на наши частицы придает им их уникальные свойства.
Бозон Хиггса не похож на другие частицы. Когда Теватрон в лаборатории Ферми обнаружил истинный кварк в 1995 году, это было потрясающей победой, результатом напряженной многолетней работы. Но к тому времени мы уже были знакомы с кварками и не ожидали открыть для себя что-то совершенно новое. Бозон Хиггса – совсем другое дело, мы еще не встречались с частицами, похожими на него. Его поле заполняет пространство, нарушает симметрии, наделяет массами и индивидуальными чертами другие частицы Стандартной модели. Если бы истинные и прелестные кварки не существовали, наша жизнь существенно не изменилась бы. Но если бы не существовал бозон Хиггса, Вселенная была бы совершенно иной.
Аналогия, получившая премию
В 1993 году проект БАКа существовал в виде чертежного наброска. Тогда никто не был уверен, что он доберется до стадии реального воплощения. Группа физиков из ЦЕРНа презентовала масштабный проект Уильяму Уолдгрейву, бывшему тогда министром науки Великобритании. Уолдгрейв заинтересовался идеей, но не смог понять главную цель проекта – идею бозона Хиггса. Как вспоминал физик Дэвид Миллер из Университетского колледжа в Лондоне, «он не понял ни слова в том, что было сказано».
Но Уолдгрейв не сдался и предложил ученым найти способ внятно объяснить ему роль бозона Хиггса, причем так, чтобы это объяснение уместилось на одном листе бумаги. Тому, кто придумает лучшее объяснение, он пообещал бутылку марочного шампанского. Миллеру и четырем его коллегам удалось найти отличную метафору, удовлетворившую министра науки. Все пятеро получили по бутылке шампанского, а Великобритания поддержала строительство БАКа.
Я изложу слегка модифицированную версию метафоры Миллера. Представьте себе, что мы с Анжелиной Джоли идем через пустую комнату. (В оригинальной версии по понятным политическим причинам фигурировала не кинозвезда Джоли, а Маргарет Тэтчер, но это не важно – важно, чтобы был кто-то известный.) Давайте проведем мысленный эксперимент и предположим, что скорости, с которыми мы с Джоли обычно ходим, одинаковы. В этом случае мы пересечем пустую комнату за одинаковое время. Существует определенная симметрия: не имеет значения, кто проходит по комнате – Анжелина или я, – время будет одинаково.
Теперь представьте, что в комнате вечеринка, и полно гостей. Может быть, я и иду по забитой людьми комнате немного медленнее, чем по пустой, – я ведь должен иногда притормозить и поменять направление, чтобы протиснуться сквозь толпу гостей, но я прохожу почти незамеченным. А вот если по той же комнате идет красавица Анжелина, это уже совсем другая история: люди останавливают ее, просят дать автограф, сфотографироваться с ними или просто заводят светскую беседу. Можно сказать, что ее «масса» становится больше – для продвижения по комнате от нее требуется больше усилий, чем от меня. (Говоря об увеличении массы, я не хочу сказать, что Анжелина Джоли растолстела, это просто метафора.) Та симметрия, которая была между нами, в присутствии множества людей в комнате нарушается.
Физик бы сказал, что Анжелина Джоли «взаимодействует сильнее» с гостями вечеринки, чем я. Это более сильное взаимодействие отражает ее славу: никто не собирается останавливать меня и просить автограф, а вот известной актрисе взаимодействовать с толпой приходится чаще.
Теперь замените меня на верхний кварк, Анжелину – на истинный кварк, а гостей вечеринки – на поле Хиггса. Если нет заполняющего пространство поля Хиггса, существует идеальная симметрия между верхним и истинным кварками, и они ведут себя так же, как я и Анжелина, когда мы идем по пустой комнате с одинаковой скоростью. Но истинный кварк взаимодействует с полем Хиггса сильнее, чем верхний кварк, поэтому, если поле Хиггса «включено», истинный кварк приобретает большую массу, и ему требуется больше усилий, чтобы двигаться через поле, так же как Анжелине нужно приложить больше усилий, чтобы протиснуться через толпу гостей, чем мне.
Как и любая аналогия, и эта не совершенна. Поле Хиггса заполняет собой пространство, влияя на все, что движется через него. Но в отличие от движения сквозь толпу или еще что-то такое же знакомое, я не могу измерить свою скорость относительно этого фонового поля Хиггса – она оказывается всегда одинаковой, как бы я ни двигался. Чтобы создать частицу, движущуюся в поле Хиггса, требуется затратить больше усилий, но как только она начнет двигаться, она продолжит движение по законам, открытым Галилеем, Ньютоном и Эйнштейном. Поле Хиггса не заставляет частицу замедлиться и двигаться с его собственной скоростью, поскольку оно не имеет скорости. На самом деле никакой аналогии в повседневной жизни для этого нет, но, по-видимому, таково устройство мира.
До появления Эйнштейна и его теории относительности многие физики считали, что электромагнитные волны – колебания среды под названием «эфир». Они даже попробовали обнаружить эфир, попытавшись измерить изменения в скорости света в зависимости от его движения относительно движения эфира. Казалось бы, если свет распространяется в том же направлении, что и эфир, он должен двигаться быстрее, а если навстречу эфиру – медленнее. Но ученые никаких различий не обнаружили. Понадобился гений Эйнштейна, чтобы понять: в концепции эфира нет необходимости, и скорость света в пустом пространстве постоянна. Эфир для поддержания электромагнитного поля не нужен – оно может просто существовать само по себе.
