Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Людям, не связанным с наукой, иногда может показаться, что весь смысл деятельности ученых в том и заключается, чтобы получить Нобелевскую премию. Это не так. Нобелевская премия отмечает важные вехи в науке, но сами ученые признают, что научный прогресс – это огромный гобелен, который слой за слоем ткут многие ученые на протяжении многих лет. Тем не менее нужно признать, что получение Нобелевской премии – это большое дело, и физики, конечно, внимательно следят за тем, какие открытия смогут когда-нибудь получить эту премию.
Никто не сомневался, что открытие бозона Хиггса является именно такого рода достижением, вполне достойным Нобелевской премии[10]. Несомненно было и то, что в первую очередь премии достойны авторы теории, предсказавшей бозон Хиггса. Конечно, в конце концов имеют значение не премии, а наука как таковая, но в связи с премией у нас появился хороший повод проследить за увлекательной историей идей, лежащих в основе поисков бозона Хиггса, а также за подготовкой к поискам и самими поисками. Цель этой главы – не пересказать историю в деталях и затем вынести суждение о том, кто заслуживает премии, а кто – нет. Как раз наоборот: глядя на то, как долго идеи механизма Хиггса формулировались, читатель поймет, что эта, как и любая другая значимая научная теория, прежде чем приобрести законченный вид, прошла много важных этапов. Попытка провести четкую границу между тремя (или меньшим количеством) учеными, которые заслуживают премии, и многими другими, которые ее не заслуживают, обязательно вносит искажения в реальную картину, хотя и снабжает СМИ сенсационными сюжетами.
В этой главе мы попытаемся изложить правдивую историю, но, поскольку, как известно, дьявол прячется в деталях, такой краткий обзор обязательно будет неполным. По сей причине в этой главе будет несколько больше технических подробностей, чем в других главах книги. Вы вольны не читать их, хотя тогда вы рискуете упустить кусочек увлекательной физики и пару страниц потрясающей человеческой драмы.
Сверхпроводимость
В восьмой главе мы исследовали глубинную связь между симметрией и силами природы. Если у нас есть «локальная» или «калибровочная» симметрия, то есть та, которая работает независимо в каждой точке пространства, она обязательно сопровождается связывающим полем, а оно уже порождает силы. Было понятно, что так устроены гравитация и электромагнетизм, а в 1950-х годах Янг и Миллс придумали, как распространить эту идею на другие силы природы. Однако есть проблема, которую так упорно педалировал Вольфганг Паули: симметрии, порождающие определенные взаимодействия, всегда приводят к появлению безмассовых бозонов. В этом, в частности, проявляется власть симметрий: они диктуют строгие ограничения на свойства, которыми могут обладать частицы. Например, симметрия, лежащая в основе электромагнетизма, приводит к строгому сохранению электрического заряда при взаимодействиях.
Но действие сил, переносчиками которых являются безмассовые частицы, должно распространяться, как все считали в то время, на бесконечные расстояния, и их поэтому можно очень легко обнаружить. С гравитацией и электромагнетизмом все так и есть, а вот ядерные силы совершенно иные. Теперь мы поняли, что сильные и слабые взаимодействия – это тоже силы янгмиллсовского типа, просто соответствующие безмассовые частицы по разным причинам спрятаны от нас. В сильных взаимодействиях такие безмассовые частицы – глюоны, но они заперты внутри адронов, а в слабых взаимодействиях безмассовые W– и Z-бозоны становятся массивными из-за спонтанного нарушения симметрии.
Еще в 1949 году американский физик Джулиан Швингер выдвинул идею о том, что силы, порожденные симметрией, всегда будут переноситься безмассовыми частицами, но, продолжив заниматься этой проблемой, он в 1961 году понял, что его аргументы были небезупречны – в них была лазейка, которая позволяла калибровочным бозонам обзавестись массой. Он не был уверен, что это может на самом деле произойти, но написал статью и указал на свою предыдущую ошибку. Швингеру был свойственен элегантный и точный стиль, который проявлялся не только в манере держаться, но и в его научных работах. В этом смысле он был противоположностью Ричарду Фейнману, с которым он и Син-Итиро Томонага разделили Нобелевскую премию в 1965 году. Фейнман отличался некоторой экстравагантностью поведения и глубоко интуитивным подходом к физике, а Швингер был всегда педантичен и точен. Поэтому когда он написал статью, указав на слабое место в известной и принятой всеми теории, физическая общественность восприняла это очень серьезно.
Но один вопрос остался: что может заставить бозоны-переносчики взаимодействий обзавестись массой? Ответ пришел с несколько неожиданной стороны – не из физики элементарных частиц, а из физики конденсированных сред, занимающейся изучением материалов и их свойств. Идеи были позаимствованы по большей части из теории сверхпроводников – материалов, из которых, к слову, изготовлены гигантские магниты на БАКе.
Электрический ток представляет собой поток электронов через вещество. В обычном проводнике электроны натыкаются на атомы и другие электроны, что приводит к сопротивлению их потоку. А сверхпроводники – такие материалы, в которых, если температура достаточно низка, ток может протекать беспрепятственно. Первая обоснованная теория сверхпроводников была построена советскими физиками Виталием Гинзбургом и Львом Ландау в 1950 году. Они предположили, что сверхпроводник пронизывает особый вид поля, наделяющего массой обычно безмассовый фотон. Они, возможно, и не имели в виду новое фундаментальное поле, но сделали предположение о коллективном движении электронов, атомов и электромагнитных полей – вроде того, как звуковая волна – не колебание фундаментального поля, а коллективное движение атомов воздуха, сталкивающихся друг с другом.
Хотя Ландау и Гинзбург предположили, что за сверхпроводимость отвечало своего рода поле, они не уточнили, что это было за поле. Этот шаг сделали американские физики Джеймс Бардин, Леон Купер и Роберт Шриффер, которые в 1957 году построили теорию сверхпроводимости – то, что называется сегодня теорией «БКШ». Теория БКШ является одной из важнейших в физике XX века и, конечно, заслуживает отдельной книги (но моя книга про другое).
В теории БКШ за основу взята идея Купера о том, что частицы могут при очень низких температурах объединяться в пары. Именно эти «куперовские пары» формируют таинственное поле, которое ввели Ландау и Гинзбургом. В то время как один электрон будет постоянно наталкиваться на атомы вокруг него, в результате чего возникнет сопротивление, в куперовской паре электроны существуют таким образом, что когда что-то отталкивает один электрон пары, другой электрон испытывает равное и противоположное притяжение (и наоборот). В результате пары электронов проскальзывают через сверхпроводник беспрепятственно.
Это прямо связано с тем, что эффективная масса фотонов внутри сверхпроводника ненулевая. Когда частицы безмассовы, их энергия прямо пропорциональна их скорости и может варьироваться от нуля до любой величины, какую вы себе только можете представить. Массивные же частицы, напротив, имеют минимальную энергию – энергию покоя, определяемую выражением E = mc². При перемещении электронов в обычном проводнике они толкаются атомами и другими электронами, их электрическое поле мягко встряхивается, при этом создаются очень низкоэнергетические фотоны, которые вы вряд ли когда-нибудь заметите. Именно постоянное излучение фотонов заставляет электроны терять энергию и замедляться, что ведет к уменьшению тока. А в теориях Ландау-Гинзбурга или БКШ фотоны получают массу, и поэтому существует определенная минимальная энергия, необходимая для их создания. Электроны, которые не имеют такого минимального количества энергии, не могут создать какие-либо фотоны и поэтому не могут терять энергию: куперовские пары проходят через вещество с нулевым сопротивлением.
Электроны, конечно, являются фермионами, а не бозонами. Но когда они собираются вместе и создают куперовские пары, они превращаются в бозоны. Мы определили бозоны как переносчиков силовых полей, которые могут скапливаться в одном месте, что отличает их от фермионов – переносчиков полей вещества, требующих места в пространстве. Как мы обсудим в Приложении 1, поля имеют свойство под названием «спин», что также отличает бозонные поля от фермионных. Все бозоны имеют спины, которые являются целыми числами: 0, 1, 2… Фермионы же имеют полуцелые спины: 1/2, 3/2, 5/2… Электрон – фермион со спином 1/2. Когда частицы собираются вместе, их спины могут складываться или вычитаться, так что пара двух электронов может иметь спин 0 или 1 – как раз столько, сколько нужно, чтобы создать бозоны.
