Текст книги "Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира"

Бозон Хиггса

Вот и вся Стандартная модель физики элементарных частиц: двенадцать частиц вещества, плюс группа частиц-переносчиков взаимодействия, необходимых для удержания всех их вместе. Итак, мы собрали все элементы, необходимые для правильного описания мира вокруг нас, по крайней мере здесь, на Земле. Однако когда мы говорим о космосе, то сталкиваемся со свидетельствами существования таких субстанций, как темная материя и темная энергия, постоянно напоминающих нам о том, что мы далеко не все еще понимаем. Эти явления совершенно точно не могут быть объяснены в рамках Стандартной модели.

Почти все частицы Стандартной модели четко делятся на «частицы вещества» и «частицы-переносчики взаимодействий». А вот бозон Хиггса не принадлежит ни одной из этих категорий, он вроде как гадкий утенок среди лебедей. Он был назван в честь шотландского физика Питера Хиггса, который почти одновременно с еще несколькими учеными предложил идею этого бозона еще в 1960-х годах. Переходя на профессиональный язык, можно сказать, что эта частица – переносчик качественно другого взаимодействия, отличающегося от остальных хорошо знакомых нам взаимодействий. С точки зрения физика-теоретика, бозон Хиггса кажется причудливой искусственной вставкой, нарушающей выстроенную красивую структуру. Без бозона Хиггса Стандартная модель была бы воплощением элегантности и совершенства, а его присутствие порождает некоторый хаос, причем найти виновника этого хаоса оказалось довольно сложной задачей.

Так почему же большинство физиков убеждено, что бозон Хиггса должен существовать? Вы можете услышать объяснения типа: «чтобы дать массу другим частицам» или «чтобы разрушить симметрию». Оба объяснения правильны, но с первого раза их трудно воспринять. Главное в том, что без бозона Хиггса Стандартная модель выглядела бы совсем иначе и не описывала бы реальный мир. А с бозоном Хиггса она отражает реальность идеально.

Конечно, физики-теоретики старались изо всех сил, чтобы придумать теории, вообще обходящиеся без бозона Хиггса, либо такие, где этот бозон сильно отличается от описываемого стандартными теориями. Многие из этих теорий потерпели фиаско, не сумев объяснить реальные данные, другие оказались излишне сложными. Ни одна не дотянула до статуса настоящей альтернативной теории.

А теперь мы нашли этот бозон. Или что-то очень похожее на него. В зависимости от того, насколько осторожны физики в своих выводах, они говорят: «Мы обнаружили бозон Хиггса», либо: «Мы обнаружили частицу, похожую на бозон Хиггса», либо даже: «Мы обнаружили частицу, которая напоминает Хиггса». В объявлении от 4 июля 2012 года была описана частица, которая ведет себя почти так, как должен вести себя бозон Хиггса – распадается на несколько других определенных частиц более или менее теми самыми способами, которые и прогнозировались. Но закрывать вопрос еще рано, и когда наберется больше данных, вполне возможны сюрпризы. В глубине души физики не хотят, чтобы это был точно тот Хиггс, которого ждали. Всегда интереснее и увлекательнее найти что-то неожиданное. И уже сейчас в собранных данных есть слабенькие основания для сомнений. Только дальнейшие эксперименты откроют истину…

Почему это важно

Однажды в интервью местной радиостанции я рассказывал о физике элементарных частиц, гравитации, космологии и тому подобном. Это был 2005 год – столетний юбилей Года чудес, того самого 1905 года, в течение которого Альберт Эйнштейн опубликовал сразу несколько работ, перевернувших многие понятия в физике с ног на голову. Я старался изо всех сил, пытался как можно доходчивей объяснить некоторые из этих довольно абстрактных концепций и, даже понимая, что я на радио, а не в телестудии, не мог удержаться и размахивал руками.

Интервьюер казался довольным, но после того, как мы закончили, и он уже убирал свою аппаратуру, ему в голову пришла новая мысль. Он спросил, не мог бы я ответить еще на один вопрос. Конечно, буду рад, сказал я, и он опять вытащил микрофон и наушники. Вопрос был простым: «Почему все, о чем вы рассказывали, должно быть кому-то интересно? Ведь в конце концов ни одно из этих исследований не поможет создать лекарство от рака и не сделает смартфон дешевле».

Ответ, который тогда пришел мне в голову, до сих пор кажется мне не лишенным смысла: «В шесть лет у всех детей возникает много вопросов. Почему небо голубое? Почему вещи падают? Почему некоторые предметы горячее, а другие холоднее? Как это все устроено?» Детей не нужно заставлять интересоваться наукой – они по своей природе стихийные ученые. Это врожденное любопытство выбивают из нас годы школьного обучения и тяготы повседневной жизни. Нас волнует, как устроиться на работу, встретить свою половинку, вырастить детей. Мы перестаем спрашивать, как устроен мир, и начинаем спрашивать, как заставить его работать на себя. Позже я нашел результаты исследований, показывающие, что дети интересуются наукой лишь до 10-14-летнего возраста.

Сегодня, после более 400 лет серьезных научных исследований, мы получили довольно много ответов на вопросы шестилетнего ребенка, живущего внутри каждого из нас. Мы знаем так много о физическом мире, что ответы на оставшиеся неотвеченными вопросы придется искать в очень удаленных местах и экстремальных условиях, во всяком случае в физике. Правда, в таких областях, как биология или нейронауки, точных ответов совсем мало. Но физика, по крайней мере ее часть – физика элементарных частиц, имеющая дело с фундаментальными строительными блоками материи – отодвинула границы познанного столь далеко, что теперь приходится строить гигантские ускорители и телескопы, чтобы искать новые данные, которые не укладываются в наши существующие теории.

Но нужно сказать, что фундаментальные научные исследования, проводимые только ради любопытства, а не для сиюминутной выгоды, ненароком приводят к огромному материальному выигрышу. Еще в 1831 году некий любознательный политик спросил Майкла Фарадея, одного из основателей нашей современной теории электромагнетизма, о пользе, которую можно извлечь из этой новомодной штуки – «электричества». Согласно апокрифу, тот дал следующий ответ: «Я про пользу ничего не знаю, но бьюсь об заклад, что в один прекрасный день ваше правительство обложит его налогом». (Точных доказательств такого обмена репликами нет, но это достаточно красивая история, раз люди продолжают ее рассказывать.) Столетие спустя некоторые величайшие умы того времени, озадаченные загадочными экспериментальными результатами, ниспровергающими базовые основы классической физики, приступили к созданию квантовой механики. В то время она была довольно абстрактной наукой, но впоследствии привела к изобретению транзисторов, лазеров, сверхпроводимости, светодиодов, а также к появлению ядерной энергетики (и ядерного оружия). Без этих фундаментальных исследований наш мир сегодня выглядел бы иначе.

Даже общая теория относительности, блестящая теория Эйнштейна о пространстве и времени, как оказалось, имеет вполне земные приложения. Если вы когда-либо использовали устройство глобальной системы позиционирования (GPS), чтобы найти нужное направление, то вы тем самым использовали общую теорию относительности. GPS, которое теперь можно найти почти в любом сотовом телефоне или в навигационной системе автомобиля, принимает сигналы от спутников и в методе триангуляции использует точную синхронизацию этих сигналов для определения своего местоположения здесь, на Земле. Но, согласно Эйнштейну, часы на орбите (где гравитационное поле слабее) идут немного быстрее, чем на поверхности Земли. Небольшой эффект, что и говорить, но он накапливается. Если «относительность» не принимать во внимание, сигналы GPS будут постепенно отклоняться от правильных значений – всего за один день ошибка в местоположении может достичь нескольких километров.

Однако технологические приложения исследований, несмотря на то что они, безусловно, важны, и для меня, и для Джоан Хьюэтт и для любого из экспериментаторов, которые проводят долгие часы, конструируя приборы и анализируя полученные данные, в конечном счете все-таки не главное. Это замечательно, когда они возникают, и мы не станем высокомерно усмехаться, если кто-то найдет способ использования бозона Хиггса для изготовления лекарства от старения. Но ищем мы его не для этого. Мы ищем, потому что мы любопытны. Хиггс – заключительная частичка пазла, который мы уже страшно долго пытаемся собрать. Нашей наградой и будет собранный пазл.

Большой адронный коллайдер

Мы не нашли бы бозона Хиггса без Большого адронного коллайдера (еще одно навевающее скуку название для воплощенной в железе неизбывной тяги человечества к новым открытиям). БАК является самой крупной, самой сложной установкой из всех когда-либо созданных людьми, и ее строительство обошлось в 9 млрд долларов. Работающие на нем в ЦЕРНе физики надеются, что он сможет продуктивно профункционировать еще около 50 лет. Но ученые не отличаются большим терпением и мечтают прямо сейчас сделать парочку открытий, которые могли бы изменить мир.

БАК – это настоящий Гаргантюа, в каком бы направлении его ни измерять. Он был задуман в 1980 году, а разрешение на его строительство получили только в 1994 году. Он стал ньюсмейкером задолго до запуска. В основном потому, что его строительство попытались остановить с помощью судебных исков на том основании, что он якобы создаст черные дыры, которые поглотят нашу Вселенную. Иски были проиграны, и гигантский коллайдер заработал в начале 2009 года.

13 декабря 2011 года физики и изрядное количество интересующихся непрофессионалов набились в конференц-залы в разных точках земного шара и сгрудились вокруг компьютерных терминалов для того, чтобы послушать доклады двух исследователей – представителей команды БАКа о новостях в поисках бозона Хиггса. Эта тема очень часто обсуждалась на физических семинарах, и в конце почти всегда повторялось заклинание: «Поиск продвигается успешно! Пожелайте нам удачи!» Но на сей раз все было по-другому. В течение нескольких дней перед этим в Интернете циркулировали слухи о том, что мы услышим необычное сообщение, что нам скажут нечто вроде: «Мы действительно увидели что-то. Может быть, мы, наконец, нашли доказательства того, что бозон Хиггса действительно существует».

И это оказалось правдой, были получены некоторые свидетельства того, что на БАКе на самом деле увидели бозон Хиггса. Однако свидетельства, заметьте, не окончательные доказательства. В БАКе сталкивались протоны с невероятно огромными энергиями, и два разных гигантских эксперимента регистрировали частицы, рождающиеся в этих столкновениях. И оказалось, что при определенной энергии два фотона (кванта света) с высокой энергией возникали чуточку чаще, чем этого можно было бы ожидать, если бы никакого бозона Хиггса не было. Это указывало на то, что, скорее всего, что-то действительно происходит, но это еще не было открытием. Рольф Хойер закончил прессконференцию пожеланием: «Увидимся в будущем году, когда, надеюсь, уже можно будет объявить об открытии».

Так оно и произошло. 4 июля 2012 года прошли еще два семинара, и на них была обнародована новая информация. И на этот раз не просто дразнящие намеки – были представлены весомые доказательства того, что новая частица найдена. Сомнения рассеялись. Тысячи физиков во все мире радостно захлопали в ладоши и облегченно вздохнули – БАК доказал свою успешность.

На распутье

В извечном желании человечества лучше понять, как устроена Вселенная, физика элементарных частиц играет роль первопроходца. Сегодня она стоит у критической черты. Это очень дорогая область науки. И ее будущее неясно.

Поиск бозона Хиггса – не просто история про субатомные частицы и эзотерические идеи. Это еще и история про деньги, политику, ревность. Проект, в который вовлечено невероятно много людей, который осуществляется в рамках беспрецедентного международного сотрудничества, и в котором уже использована не одна прорывная технология, не может обойтись совсем без случаев халатности, махинаций, а иногда и мошенничества.

БАК – это не первый гигантский ускоритель элементарных частиц, которому была поставлена задача найти бозон Хиггса. Был Теватрон, построенный в Лаборатории имени Ферми (Фермилабе), расположенной недалеко от Чикаго. Он заработал в 1983 году, но после весьма эффективной работы, которая, в частности, ознаменовалась открытием истинного кварка, в конце концов был остановлен в сентябре 2011 года. Бозон Хиггса Теватрон так и не обнаружил. Был еще Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP), работавший с 1989 по 2000 год в том же подземном туннеле, где сейчас размещен БАК. Вместо относительно массивных протонов, в результате столкновения которых обычно происходят беспорядочные выплески самых разных частиц, LEP сталкивал электроны с их собратьями из антивещества – позитронами. Эта реакция позволила производить очень точные измерения, но ни в одном из них не появился бозон Хиггса.

А потом был Сверхпроводящий суперколлайдер, или ССК, о котором с грустью рассказывала Хьюэтт. ССК был американской версией БАКа, но только больше, лучше, и по плану он должен был заработать первым. Спроектированный в 1980-х годах, ССК, согласно проекту, был призван развивать энергию почти в три раза выше той, что когда-нибудь сможет достичь БАК (и в шесть раз выше той, которую БАК развил на данный момент). Но у БАКа есть огромное преимущество перед ССК: его все-таки построили.

Всего лишь через пару лет после начала работы БАКа он преподнес людям подлинное открытие – частицу, очень похожую на бозон Хиггса. Это открытие ознаменовало конец одной эпохи и начало другой. Бозон Хиггса – не просто еще одна частица. Это особый вид частиц, который мог бы очень естественным образом взаимодействовать с другими видами частиц – теми, которых мы еще не обнаружили. Бозон Хиггса может оказаться перемычкой, соединяющей наш мир с другим, скрытым от нашего взгляда и пока недосягаемым. Теперь, когда эта частица найдена, нам предстоят десятилетия работы, чтобы узнать ее свойства, и понять, куда она сможет нас еще привести.

В долгосрочной перспективе будущее экспериментальной физики элементарных частиц остается неясным. 100 или даже 50 лет назад основополагающие открытия в области физики элементарных частиц делались на таком оборудовании, которое в своей лаборатории мог собрать один ученый с помощниками-студентами. Эти времена, похоже, ушли навсегда. Если БАК кроме бозона Хиггса не откроет нам ничего нового, убедить скептически настроенных политиков в том, что нужно выделить еще больше денег для строительства следующих поколений коллайдеров, станет гораздо труднее.

Такие установки, как БАК, требуют не только инвестиций в миллиарды долларов, но и тысячи человеко-лет работы специалистов, посвятивших свою жизнь тому, чтобы чуть-чуть глубже проникнуть в тайны природы. Таких людей, как Лин Эванс, который много сделал для доведения проекта БАКа до конца, или Джоан Хьюэтт, которая проанализировала бесконечное количество теоретических моделей, или Фабиола Джанотти и Джо Инкандела, которые руководили коллаборациями, совершившими историческое открытие. Все они в этой игре сделали огромные ставки – рискнули всей своей многолетней профессиональной работой и поставили на то, что с помощью этой установки будет открыта новая эпоха великих открытий. Открытие бозона Хиггса – это их награда, подтверждение того, что вся их работа была проделана не напрасно. Но, как Хьюэтт говорит, в действительности они больше всего хотели бы открыть то, чего никто не ожидал.

К счастью, Природа никогда не перестанет нас удивлять.

Глава 2
Прикосновение к божественному

Мы обнаружим, что бозон Хиггса не имеет ничего общего с Богом, но тем не менее очень важен.

Леон Ледерман сразу пожалел о том, что сделал. Он понял, что совершил ошибку, но отыграть обратно уже не удалось. Это одна из тех мелочей, которые приобретают неожиданно важные последствия.

Мы говорим, конечно, о «частице Бога». Не самой частице, которая есть всего лишь бозон Хиггса. А о названии «частица Бога», за которое несет ответственность Ледерман.

Один из самых крупных физиков-экспериментаторов в мире, Ледерман получил Нобелевскую премию по физике в 1988 году: он показал, что в природе существует не один, а по крайней мере два типа нейтрино. Если бы он не получил премию за это, то получил бы за другие достижения, также достойные Нобеля, в том числе за открытие нового вида кварков. (Сегодня нам известны только три типа нейтрино и шесть типов кварков.) В свободное время Ледерман руководил Фермилабом и организовывал Иллинойскую научную академию математики (IMSA). Он вообще харизматичная личность – с великолепным чувством юмора, прекрасный рассказчик. Вот, к примеру, одна из любимых баек Ледермана: будучи аспирантом, он однажды подкараулил Альберта Эйнштейна, гулявшего по территории Института перспективных исследований в Принстоне, и принялся со всем присущим ему жаром рассказывать про свои исследования в области физики элементарных частиц, которыми он тогда занимался в Колумбии. Гений терпеливо выслушал горячего юношу, а затем сказал с улыбкой: «Это не интересно».

Итак, именно он придумал название «частица Бога» для бозона Хиггса, что в научном сообществе расценивается как его не самое удачное деяние. На самом деле Ледерман так назвал популярную книгу про физику элементарных частиц и поиски бозона Хиггса, которую написал в соавторстве с Диком Терези. В первой же ее главе соавторы объясняют, что выбрали такое название отчасти потому, что «издатель не позволил бы назвать бозон “проклятой Богом частицей”, хотя это было бы более подходящим названием, учитывая его гнусный характер и затраты, на которые из-за него приходится идти».

Международное сообщество физиков, как известно, – не самый дружный коллектив, но тут они единодушны: все ненавидят название «частица Бога». Питер Хиггс, шотландский физик, чьим именем традиционно называется частица, говорит со смехом: «Меня действительно сильно раздражала эта книга. И, думаю, не только меня».

Между тем, сообщество журналистов разных стран, которые в силу профессии часто спорят друг с другом, тоже проявляют завидное единодушие в этом вопросе – им как раз очень нравится это название – «частица Бога». Вы можете смело заключать пари (и это пари будет одним из самых беспроигрышных в мире), что, если в СМИ увидите статью про бозон Хиггса, где-то в тексте обязательно найдете словосочетание «частица Бога».

Вряд ли за это можно ругать журналистов. Название «частица Бога» вызывает интерес у публики, а название «бозон Хиггса» кажется скучноватым. Но осуждать физиков нельзя: бозон Хиггса не имеет ничего общего с Богом, это всего лишь частица. Хотя и очень важная, и недаром она возбуждает в душах ученых столь страстное желание ее найти. Но это страстное желание не дотягивает до уровня религиозного экстаза. Однако стоит разобраться, почему у ученых возник соблазн даровать богоподобный статус этой скромной элементарной частице. (Понятно, что они не вкладывали в ее название никакого теологического смысла. Разве кто-нибудь действительно может предположить, что у Бога есть любимчики среди частиц?)

Божественный замысел

Отношения у физиков с Богом давние и сложные. С Богом не только как с гипотетическим всемогущим существом, который создал Вселенную, но и с самим словом «Бог». Когда физики говорят о Вселенной, они часто используют идею Бога, чтобы сказать что-то о физическом мире. Вот и Эйнштейн нередко поминал Бога. Среди наиболее известных цитат этого чрезвычайно часто цитируемого ученого наиболее популярны две: «Я хочу знать мысли Бога, все остальное – детали» и, конечно, «Я убежден, что Бог не играет в кости со Вселенной».

Многие из ученых впали в соблазн подражания Эйнштейну. В 1992 году спутник НАСА, названный COBE (Cosmic Background Explorer), получил удивительные фотографии крошечной ряби на фоновом излучения, оставшемся от Большого взрыва. Джордж Смут, один из исследователей, работавших над проектом COBE, подчеркнул значимость события, произнеся с пафосом: «Если вы религиозны, то это – все равно что увидеть Бога», а Стивен Хокинг в заключительном абзаце своего мегабестселлера «Краткая история времени» и вовсе не постеснялся использовать богословский язык: «Если мы все-таки создадим полную теорию, она со временем станет понятной каждому, а не только нескольким ученым. Тогда мы все – философы, ученые и просто обычные люди – сможем принять участие в дискуссии о том, почему существуем мы и существует наша Вселенная. И если мы найдем ответ на такой вопрос, это станет окончательным триумфом человеческого разума, ибо тогда мы познаем Божественный замысел».

Из истории известно, что некоторые выдающиеся физики были весьма религиозны. Так, Исаак Ньютон – пожалуй, величайший ученый всех времен и народов – был набожным христианином, хотя и гетеродоксом, и провел не меньше времени за изучением и толкованием Библии, чем за занятиями физикой. В XX веке у нас есть пример Жоржа Леметра – космолога, разработавшего теорию «первобытного атома», которая сейчас известна как модель Большого взрыва. Леметр был священником и по совместительству профессором Католического университета в Лёвене (Бельгия). В модели Большого взрыва наша наблюдаемая Вселенная возникла около 13,7 миллиардов лет назад в особый момент времени из точки с бесконечной плотностью. А по христианской версии мир был создан Богом в некий момент времени. Между двумя этими версиями есть очевидные параллели, но Леметр всегда был очень осторожен и не смешивал свои религиозные взгляды с научными. В какой-то момент Папа Пий XII попытался предположить, что «первобытный атом» можно соотнести со словами «Да будет свет!» из Книги Бытия, но Леметр сам уговорил его отказаться от этой аналогии.

В наши дни, однако, большинство физиков гораздо менее склонны верить в Бога, чем люди, не занимающиеся наукой. Если вы станете изучать то, как приспосабливается мир к выживанию в естественных условиях, вы наверняка впечатлитесь тем, как хорошо Вселенная сама справляется с этим – без всякой помощи сверхъестественных сил. Есть, конечно, яркие примеры верующих физиков, но несомненно и то, что реальная физика в своих уравнениях обходится без сверхъестественных допущений.