Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Я недавно помогал делать телешоу, в котором авторы пытались объяснить, что такое бозон Хиггса. Когда вы делаете что-то для телевидения, слов всегда недостаточно, нужны убедительные образы. Если вы пытаетесь объяснить что-то про субатомные объекты, единственный способ найти такие запоминающиеся образы – придумать хорошую аналогию. Итак, вот что я придумал: представьте себе маленьких роботов, которые носятся по дну вакуумной камеры. На каждый робот нацеплен парус, но размер парусов у них самый разный – от достаточно большого до совсем маленького. Сначала мы снимаем роботов в откаченной камере, и тогда все они движутся с одинаковой скоростью: если нет воздуха, паруса совершенно бесполезны. А потом мы впускаем в камеру воздух. Теперь роботы с крошечными парусами двигаются быстро, а те, у которых большие паруса, тормозятся и кажутся более вялыми. Надеюсь, аналогия понятна. Роботы представляют собой частицы, а паруса – сила их взаимодействия с полем Хиггса, аналогом которого здесь является воздух. В вакууме, когда нет воздуха, роботы все симметричны и движутся с одинаковой скоростью. Заполнение камеры воздухом нарушает симметрию, как и поле Хиггса. Можно даже продолжить аналогию и сказать, что звуковые волны в воздухе – аналог бозонов Хиггса.
Так как я сам – абсолютный теоретик, никто не хотел мне доверить командование роботами, поэтому я консультировался с некоторыми из моих коллег по Калифорнийскому технологическому институту из отдела техники и воздухоплавания, как все это показать. И они отвечали мне примерно одинаково: «Понятия не имею, что такое бозон Хиггса и хорошая ли это аналогия, но выглядит потрясающе!»
В глубине души наука как раз и является поиском потрясающего – буквального потрясения, которое мы чувствуем, когда впервые понимаем что-то важное. С этим чувством мы все рождаемся, хотя часто теряем его взрослея, когда в нашей жизни начинают доминировать более приземленные проблемы. Однако это спящее в каждом из нас детское любопытство вновь выходит на первый план, когда происходит некое большое событие вроде открытия бозона Хиггса на БАКе. Тысячи людей строили БАК и его детекторы, тысячи людей анализировали данные, которые привели к этому открытию, но принадлежит оно всем, кто интересуется устройством Вселенной.
Мохаммед Яхья ведет блог журнала Nature под названием «Дом Мудрости» – этот блог посвящен науке на Ближнем Востоке. После того как 4 июля состоялся семинар, где объявили об открытии бозона Хиггса, Яхья сделал восторженную запись, подчеркнув интернациональный характер современной наукой: «В то время как люди в арабском мире заняты политикой, революциями, вопросами прав человека и восстаниями, наука говорит с нами всеми на одном языке, и мы становимся единым целым. Только искусству и науке не подвластны никакие границы».
Всего через несколько часов после семинаров 4 июля 2012 года, на которых было объявлено о долгожданном открытии бозона Хиггса, Лина Эванса спросили, что, по его мнению, молодые люди могли бы извлечь из этой новости. Он ответил не задумываясь: «Вдохновение. Такие грандиозные пректы должны всех вдохновлять. Когда мы были молоды, происходило много потрясающих вещей – например, человек достиг Луны. Самое главное – возбудить в юных душах интерес к науке». И создатели БАКа сумели это сделать.
Смысл и истина
Физика элементарных частиц может найти свои корни аж в учениях атомистов Древней Греции и Рима. Для таких философов, как Левкипп, Демокрит, Эпикур и Лукреций, представление о природе было основано на том, что материя и энергия – различные формы, которые принимают комбинации небольшого числа фундаментальных начал, атомов. Мыслители Античности не были учеными в современном смысле этого слова, но некоторые их идеи очень хорошо согласуются с нашим сегодняшним пониманием Вселенной.
Древний мир не знал придуманных нами строгих границ между разными академическими дисциплинами, которые преподаются в современных университетах. Ученые прошлого были философами, и наряду с материальной реальностью интересовались и этикой, смыслом жизни. Что касается их представлений об атомах, с нашей сегодняшней точки зрения не все их выводы правильны (например, неделимость атомов), но многие по-прежнему остаются актуальными. Они пытались руководствоваться логическими выводами из своего атомистического подхода к устройству мира. Если реальность есть просто взаимодействие атомов, где мы должны искать цель и смысл жизни? Эпикур, в частности, отвечая на эти вопросы, говорил, что ценность имеет именно та жизнь, которую мы проживаем здесь, на Земле, и призывал своих последователей оставаться спокойными перед лицом смерти, высоко ценить дружбу и находить удовольствие в умеренности.
Наука в конечном счете – описательный род деятельности, а не рекомендательный. Она рассказывает о том, что происходит в мире, а не то, что должно произойти или как относиться к тому, что происходит. Знание массы бозона Хиггса не делает нас лучше и не указывает, каким видом благотворительности заняться. Но наука может нам преподать два важных жизненных урока.
Первый урок состоит в том, что мы являемся частью Вселенной. Все в организме человека успешно описывается Стандартной моделью физики элементарных частиц. Более тяжелые элементы, которые имеют столь важное значение для нашей биохимии, были сформированы внутри звезд в процессе ядерного синтеза. Карл Саган это прекрасно сформулировал: «Мы все сделаны из звездного вещества». Мы знаем, что наши атомы подчиняются Стандартной модели, но это не очень помогает, когда речь идет о проблемах реального мира – политике, психологии, экономике или любви, однако все идеи, которые возникают в этой связи, должны по крайней мере, не противоречить тому, что мы знаем о поведении элементарных частиц.
Мы являемся особенной частью Вселенной, у которой выработалась замечательная способность: мы имеем возможность отображать Вселенную в своей голове. Мы – материя, которая рассматривает себя. Как это получается? Физика элементарных частиц тут не дает нам ответа, но она – основной компонент главной теории, в которой этот ответ появится. С открытием бозона Хиггса наше понимание физики, лежащей в основе повседневной реальности, стало более полным. И это огромное достижение в интеллектуальной истории человечества.
Другой урок, который преподносит нам наука, состоит в том, что природа не позволяет нам обманывать себя. Наука начинается с предположений, которые для солидности называют «гипотезами», а затем эти предположения проверяются путем сравнения с экспериментальными данными. Процесс может занять несколько десятилетий и даже больше, и всем известно, что выбрать то, что является «лучшим объяснением экспериментальных данных», – всегда сложно. Но в конечном счете за экспериментами остается последнее слово. Не имеет значения, насколько красива ваша идея, сколько наград вы получили или каков ваш IQ, но если ваша теория противоречит экспериментальным данным – она неверна.
В этой ситуации есть одна плохая новость и одна хорошая. Плохая новость заключается в том, что наука – вещь очень сложная. Природа беспощадна, и большинство создаваемых учеными теорий оказываются неверными. А вот хорошая новость: природа, как строгий пастух, постепенно подталкивает нас к идеям, которые никогда бы не пришли нам в голову путем лишь умозрительных рассуждений. Перефразируя Сидни Коулмана, можно сказать, что тысяча философов, думая хоть тысячу лет, никогда бы не изобрели квантовую механику. И только потому, что результаты экспериментов порой загоняют нас в угол, мы решаемся изобретать столь странные и противоречащие здравому смыслу схемы, которые и формируют современную физику.
Трудно себе представить, что человек, живший тысячелетия до нас, однажды посмотрев на Солнце и задумавшись, отчего оно светит, после некоторых размышлений сказал: «Даю голову на отсечение, что большая часть массы Солнца образована частицами, которые могут врезаться друг в друга и слипаться, при этом одни из них – частицы первого типа – преобразуются в частицы другого типа и испускают частицы третьего типа, которые были бы безмассовыми, если бы не было поля, заполняющего пространство и нарушающего симметрию, отвечающую за соответствующие силы. А при слиянии пары частиц первых двух типов высвобождается энергия, которую мы в конечном счете и воспринимаем как солнечный свет». Но именно это и происходит на Солнце! Прошло не одно десятилетие, прежде чем процессы, идущие на нашей звезде, стали ясны, и этого никогда бы не произошло, если бы люди постоянно не искали объяснения самых различных опытов и наблюдений.
Бывает так, что экспериментальные данные направляют нас на правильный путь, и наука вдруг совершает невероятный прыжок в будущее. В 1960-х годах физики построили единую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий, основанную на некоторых общих принципах, подтвержденных предыдущими экспериментами, и конкретных наблюдениях – таких как отсутствие безмассовых бозонов-переносчиков слабого взаимодействия. В рамках этой теории было сделано предсказание: должна существовать новая массивная частица, бозон Хиггса, который определенным образом взаимодействует с уже известными частицами. В 2012 году – через целых сорок пять лет после выхода в 1967 году статьи Стивена Вайнберга, в которой были собраны вместе все ингредиенты этой теории – это предсказание сбылось. Человеческий интеллект, руководствуясь подсказками природы, смог понять глубинный механизм работы Вселенной. И мы надеемся, что в ближайшие годы этот прорыв позволит нам узнать еще больше.
