Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира - Шон Кэрролл

Не уверен, что членам дуэта Insane Clown Posse это было интересно, но должен заметить, что важность полей далеко не исчерпывается магнитами. Мир действительно состоит из полей. Иногда вещество Вселенной в силу странности квантовой механики кажется образованным из частиц, но на самом деле по своей сущности частицы – те же поля. Пустое пространство, вакуум, не так пусто, как кажется. В каждой точке существует множество полей, каждое из которых принимает то или иное значение – или, точнее, из-за принципа неопределенности квантовой механики, целый набор возможных значений, которые мы в принципе могли бы наблюдать.

Говоря о физике элементарных частиц, мы обычно не акцентируем внимание на том, что на самом деле говорим о «физике полей». Но именно ее мы и имеем в виду. Цель этой главы – помочь вам привыкнуть к тому, что именно квантовые поля в теперешних научных представлениях являются основными строительными блоками мироздания.

Нельзя считать, что сами поля «сделаны из чего-то». Поля – это то, из чего состоит мир, и мы не знаем никакого более глубокого уровня реальности. (Может быть, теория струн откроет нам что-то новое, но пока еще она находится в ранге гипотезы.) Магнетизм переносится полем так же, как гравитация и ядерные силы. Даже то, что мы называем «веществом», сформировано из таких частиц, как электроны и протоны, а они на самом деле – просто колебания полей. Частица, которую мы называем бозоном Хиггса, очень важна, но важна не столько она, сколько поле Хиггса, из колебаний которого она образуется и которое играет центральную роль в устройстве нашей Вселенной. Удивительно, не правда ли?

В первых главах мы дали краткое описание частиц Стандартной модели и отметили, что все частицы возникают в виде колебаний соответствующих полей. В нескольких предыдущих главах мы рассмотрели ускорители (в том числе БАК) и детекторы, которые помогают нам исследовать субатомный мир. В этой и последующих главах мы собираемся вернуться немного назад и более пристально присмотреться к концепции полей, а также к тому, как частицы возникают из полей, как симметрия приводит к появлению сил и как поле Хиггса может нарушить симметрию и привести к тому разнообразию частиц, которое мы видим вокруг себя. И после этого у нас появится реальная возможность понять, как экспериментаторы охотятся на бозон Хиггса и что означает утверждение, что он нашелся.

Сегодня общепринято: поля окружают нас везде, но для того, чтобы ученые начали думать в категориях «теории поля», потребовалось время. Вам может показаться, что понятие гравитационного поля еще более очевидно, чем понятие магнитного поля. Но это совершенно не очевидно.

Самая знаменитая история про гравитацию – это апокриф про Исаака Ньютона и яблоко, которое якобы упало ему на голову, вдохновив на открытие теории всемирного тяготения. (Эта история стала такой знаменитой в основном из-за того, что сам Ньютон не переставал ее пересказывать – видимо, ему хотелось добавить ярких красок в свою репутацию гения, хотя это было уже совершенно излишним.) Утверждалось, что яблоко помогло Ньютону «изобрести» или «открыть» гравитацию, но, если минуточку подумать, сразу понимаешь, что эти слова вообще-то не имеют никакого смысла. Люди знали о гравитации и до Ньютона – и, как правило, все замечали, что яблоки падают вниз, а не вверх.

Но только Ньютон осознал, что между падением яблока и движением планет существует связь. Он не изобрел гравитацию, но понял, что она универсальна: гравитационное притяжение, которое заставляет планеты вращаться вокруг Солнца, а Луну вокруг Земли – та же самая сила, которая притягивает яблоки к земле. Кто-то скажет, что это ньютоновское прозрение не заслуживает того, чтобы о нем складывались легенды. В конце концов, что-то удерживает планеты от того, чтобы улететь прочь в межзвездное пространств, и, с другой стороны, что-то заставляет яблоко падать на землю, так почему эти «что-то» не могут быть одним и тем же?

Если вы так думаете, то только потому, что живете в постньютоновском мире. Пока Ньютон не объяснил всего этого, люди не считали Землю ответственной за такое поведение яблока, а полагали, что оно само виновато в своем падении. Аристотель, например, считал, что различным видам материи присущи различные, но естественные состояния. Естественное состояние массивного тела – лежать на земле. Поднявшись же над землей, оно будет стремиться на нее упасть.

Представление о том, что падение объекта связано с природой объекта, а не с земным притяжением, на самом деле подсказывает нам интуиция. Я когда-то был научным консультантом высокобюджетного голливудского фильма, и режиссеры решили, что было бы здорово снять захватывающую сцену борьбы на планете, имеющей форму не сферы, а диска. Это было бы красиво, тут не поспоришь. Но операторы решили снять кульминационную сцену так, чтобы плохие парни падали с края планеты. Падать… но под действием чего? До сих пор многие люди думают, что падение – это естественное действие для объектов, а не следствие влияния на них силы притяжения каких-то крупных объектов. (Но нам удалось в фильме избежать такой ошибки.)

Итак, Ньютон предположил, что каждый объект во Вселенной притягивает любой другой объект во Вселенной. Более тяжелые объекты притягивают сильнее, чем более легкие, кроме того, чем ближе объект, тем он сильнее притягивается, чем дальше – тем слабее. Эти утверждения прекрасно соответствуют наблюдаемым данным и замечательно объединяют явления, происходящие на Земле и в небе.

Но теория тяготения Ньютона смущала многих. Как, например, Луна узнает о том, что Земля притягивает ее? В конце концов, Земля очень далеко, а мы привыкли к силам, которые ощущаются при соприкосновении с предметами, а не когда мы где-то далеко от них. Это загадочное явление – «действие на расстоянии» – беспокоило и Ньютона, и его критиков. Однако, если ваша теория великолепно объясняет множество разных явлений, вы в какой-то момент просто пожимаете плечами и говорите, что просто природа, по-видимому, устроена таким образом. Это в значительной степени похоже на сегодняшнюю ситуацию с квантовой механикой: она объясняет наблюдаемые явления, но мы считаем, что не понимаем ее достаточно глубоко.

И только в конце 1700-х годов французский физик Пьер-Симон Лаплас показал, что ньютоновская гравитация – отнюдь не магическое воздействие, передающееся на расстоянии. Лаплас описал гравитацию как поле, заполняющее все пространство. Позже это поле назвали «потенциальное гравитационное поле». Гравитационный потенциал искажается массивными телами по той же причине, по какой на температуру воздуха в помещении влияет горячая духовка: искажение тем сильнее, чем мы ближе к ней, и уменьшается, когда мы отходим от нее. Сила земного притяжения возникает, потому что объекты подталкиваются самим полем: они чувствуют, как их тянет в направлении, в котором потенциал гравитационного поля убывает, – подобно тому, как шар на неровной поверхности начинает катиться туда, где ближе к земле.

С точки зрения математики, теория Лапласа идентична теории Ньютона, однако концептуально она намного лучше согласуется с нашим интуитивным представлением о том, что вся физика, как и политика, является локальной. Но это не значит, что Земля просто устанавливает контакт с Луной и притягивает ее. Земля создает гравитационный потенциал вокруг себя, он влияет на потенциал поблизости, и так далее вплоть до Луны (и еще дальше). Гравитация – не магическая передача силы на бесконечные расстояния вроде телепатии. Она порождается плавными изменениями невидимого поля, пронизывающего все пространство.