Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Уилсон был достаточно умен, чтобы услышать намек: если он хочет, чтобы Конгресс финансировал его амбициозный, хотя и непонятный многим проект, он должен сказать что-то более весомое. Но Уилсон не отступил от своей первоначальной позиции, и этот его ответ стал одним из самых ярких в долгой истории многочисленных попыток ученых объяснить, почему они делают то, что делают: «Он [ускоритель] имеет отношение только к уважению, с которым мы относимся друг к другу, к достоинству человека, к нашей любви к культуре. Он имеет отношение к тому, насколько мы хорошие художники, хорошие скульпторы, великие поэты. Я имею в виду все, что мы действительно ценим в нашей стране и что делает нас патриотами, и хотя он не имеет ничего общего с защитой нашей страны напрямую, он имеет отношение к тому, ради чего ее стоит защищать».
Большая наука не дешева. БАК стоил около девяти миллиардов долларов, почти все из которых были взяты в конечном счете из налогов, собранных в разных странах по всему миру. Люди, заплатившие эти деньги, имеют право знать, что за них получат, и ученые обязаны быть максимально честными, говоря о пользе фундаментальных исследований. Иногда она, эта польза, проявляется в виде важных технологических открытий. Но в конечном счете самое главное – познание природы, которое становится возможным именно благодаря подобным чрезвычайно амбициозным проектам.
Не все с этим согласны. Стивен Вайнберг, неутомимый сторонник инвестиций в фундаментальную науку, вспоминает показательную историю: «В ходе дискуссии по поводу Сверхпроводящего суперколлайдера (ССК) я был приглашен на радио-шоу Ларри Кинга вместе с конгрессменом, который выступал против строительства ускорителя. Конгрессмен сказал, что он не против расходов на науку, но мы должны установить приоритеты. Я объяснил, что ССК поможет нам узнать законы природы, и спросил, не заслуживает ли эта цель, по мнению конгрессмена, высокого приоритета. Я помню каждое слово в его ответе. Он сказал: “Нет”».
Многие люди придерживаются этой точки зрения, проявляя определенную близорукость: таким образом они упускают более далекую перспективу. Фундаментальная наука не может немедленно усилить национальную оборону или изобрести лекарство от рака, но она обогащает нашу жизнь, открывая нам что-то новое во Вселенной, частью которой мы являемся. И эта цель обладает высочайшим приоритетом.
Когда я получу свой реактивный летательный аппарат?
Никто не скажет, что мы не хотим найти полезные технологические применения результатам, получаемым современной физикой элементарных частиц. Ученые любят поговорить о том, что фундаментальные исследования – это научные исследования, осуществляемые только ради чистой науки, а не в погоне за немедленной выгодой. Но очень часто именно фундаментальные исследования приводят к чрезвычайно важным в практическом отношении последствиям, даже если о них вначале и не подозревали. История науки – от изобретения электричества до создания квантовой механики – полна идей, когда-то казавшимимся совершенно абстрактными и непрактичными, а позже определивших технический прогресс.
Можем ли мы представить, что произойдет что-то подобное с исследованиями на БАКе? Как заметил однажды Нильс Бор, точные прогнозы делать очень трудно, особенно по поводу будущего. Тем не менее нужно признать: то, что мы ищем и находим на БАКе, может быть совсем не похоже на фундаментальные открытия физики прошлых веков. Очень вероятно, что из частиц, которые мы обнаружим на БАКе, никогда нельзя будет извлечь пользу для практической жизни.
Это предположение – не просто проявление пессимизма, оно следует из особой природы объектов, которые мы надеемся обнаружить. Когда Бенджамин Франклин изучал электричество или Генрих Герц – радиоволны, они не создавали сущностей, не существующих в природе. Электричество и радиоволны присутствуют везде вокруг нас, даже если выкинуть все искусственные их источники. Ученые в ту эпоху научились лишь манипулировать таинственными явлениями природы, и не удивительно, что обнаруженные ими закономерности позже привели к технологическому прогрессу. На БАКе, напротив, мы заняты в буквальном смысле изготовлением частиц, которых нет в окружающей нас природе, и по понятным причинам. Эти частицы, как правило, очень массивные, и поэтому для их рождения требуется огромные энергии. Они либо столь слабо взаимодействуют с веществом, так что их трудно зарегистрировать и на них трудно влиять (например, нейтрино), или же живут очень недолго и распадутся прежде, чем из них удастся извлечь пользу.
Возьмем в качестве примера бозон Хиггса. Создать его нелегко – как мы знаем, это можно сделать, только построив ускоритель частиц длиной в несколько десятков километров. Возможно, благодаря разным технологическим усовершенствованиям когда-нибудь ученые и создадут карманное устройство, способное достичь таких высоких энергий. Пока никто не имеет ни малейшего представления, как это сделать, но это во всяком случае не нарушило бы законы физики. Но даже если у вас в руках будет карманный – типа iPad – источник бозонов Хиггса, для чего его можно было бы использовать? Каждый произведенный бозон Хиггса распадается меньше чем за цептосекунду. Трудно себе представить какие-либо приложения этих бозонов, в которых не разумнее использовать какие-то другие – более стабильные – частицы.
Этот аргумент, конечно, легко опровергнуть. Мюоны – тоже нестабильные частицы, но им нашлись важные технологические применения: от катализа ядерного синтеза до поиска потайных камер в египетских пирамидах. Но все-таки время жизни мюона составляет около одной миллионной доли секунды – гораздо больше, чем у хиггсовского бозона. Нейтрино – стабильные, но слабо взаимодействующие частицы, и некоторые дальновидные люди думают, что их когда-нибудь будут использовать для коммуникаций. Если бы мы обладали богатым воображением, мы смогли бы сказать, что обнаружим частицы темной материи и найдем им похожее применение. Однако это не тот бизнес, в который я рекомендовал бы вкладывать много денег.
Сверхсветовые корабли и левитация
Поскольку бозон Хиггса отвечает за придание частицам массы, люди часто спрашивают: сможем ли мы заставить предметы стать легче или тяжелее, изучив его свойства? Или еще круче. На следующий день после оглашения открытия бозона 4 июля, канадский National Journal напечатал статью с броским заголовком: «Ученые говорят, что открытие бозона Хиггса сделает возможным движение кораблей со скоростью света». Никто из ученых, цитируемых в статье, не сказал ничего подобного, но очень вероятно, что какие-то ученые где-то когда-то и ляпнули такое.
Использование бозона Хиггса для того, чтобы сделать предметы легкими или даже невесомыми – идея абсолютно бессмысленная по нескольким причинам. Наиболее очевидная из них – то, что подавляющая часть массы обычных объектов определяется не бозоном Хиггса, а энергией сильных взаимодействий внутри протонов и нейтронов. Но что еще более важно, массу кваркам и заряженным лептонам на самом деле дает не сам бозон Хиггса, а поле Хиггса, скрывающееся в пустом пространстве. Желая, например, изменить массу электрона, вы должны были бы не шарахнуть по нему хиггсовским бозоном, а изменить значение фонового поля Хиггса.
Легче это сказать, чем сделать. Хотя мы и можем представить себе вероятность изменения поля Хиггса, у нас нет ни малейшего представления о том, как на самом деле это устроить. Кроме того, тут потребуется невообразимая энергия. Предположим, мы нашли способ уменьшить поле Хиггса внутри некоторого небольшого, но макроскопического объема пространства с его обычного значения (246 ГэВ) до нуля. При обычном значении поля Хиггса у него минимальная энергия, и заставить его принять нулевое значение – значит, увеличить энергию в нашем небольшом объеме. Из соотношения E = тc² следует, что этот объем теперь имеет и массу. Быстрый расчет показывает, что область размером с мяч для гольфа, внутри которого поле Хиггса обращено в ноль, будет иметь приблизительно массу Земли! Если бы мы хотели сделать это поле намного больше его обычного значения, небольшой объем сосредоточил бы в себе такую громадную массу, что он весь бы сжался и образовалась бы черная дыра.
Наконец, даже если нам каким-то образом удалось бы выключить поле Хиггса, скажем, внутри нашего тела, это не означало бы, что мы вдруг стали бы легче. Некоторые элементарные частицы станут легче – например, электроны и кварки – и нарушенная симметрия слабого взаимодействия могла бы восстановиться. Но в результате атомы и молекулы в вашем организме образуют совершенно другие конфигурации, скорее всего, просто все распадутся и испустят огромное количество энергии. Уменьшить поле Хиггса – это вам не сесть на диету: не похудеете, а взорветесь.
