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

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.

Так что в ближайшее время не стоит с нетерпением ждать появления устройств для левитации, управляемых с помощью поля Хиггса, однако вполне возможно, что новые открытия на БАКе заложат основу для таких будущих применений, которые мы сегодня не можем себе и представить…

Но иногда исследования в области физики элементарных частиц действительно приносят весьма ощутимую пользу. Эта польза обычно выражается не в виде непосредственного применения только что найденных новых частиц, а в виде побочных продуктов – новых технологий, разрабатываемых для усовершенствования самих экспериментальных установок.

Наиболее известным примером является Всемирная паутина. Тим Бернерс-Ли, работая в ЦЕРНе, изобрел Всемирную паутину, когда искал способы упростить обмен информацией между физиками элементарных частиц. Теперь наш мир просто нельзя представить без Интернета. Но никто никогда не предлагал финансировать ЦЕРН, потому что когда-нибудь в нем будет изобретен Интернет – это произошло, потому что много умных людей собрались вместе и создали мощную интеллектуальную среду. Перед ними стояли сложные технологические задачи, и результатов долго ждать не пришлось.

Есть много других подобных примеров. Потребность ускорителей частиц в уникальных мощных сверхпроводящих магнитах привела к важным достижениям в сверхпроводящих технологиях. Навыки в управлении частицами нашли применение в медицине и других областях науки, например, химии и биологии, а также стерилизации и тестировании пищевых продуктов. Развитие прочных и высокочувствительных детекторов, впервые изготовленных в экспериментах физики элементарных частиц, нашли применение в медицине, измерении уровня радиации и технике безопасности. Невероятно высокие требования к вычислительной мощности и скорости передачи информации привели к важным открытиям в области компьютерных технологий. Список можно продолжать еще долго, но отсюда следует ясный вывод: деньги, ушедшие на поиск частиц, смысл которых понятен лишь высоколобым ученым, потрачены не зря.

Точно оценить эффективность инвестиций в фундаментальные исследования очень трудно. Экономист Эдвин Мэнсфилд показал, что для общества в целом эти инвестиции в действительности весьма прибыльны. Мэнсфилд утверждает, что государственные расходы на фундаментальную науку дают в среднем прибыль 28 %, а такой доход каждый был бы рад получить от своего инвестиционного портфеля. Конечно, эти цифры в лучшем случае предоставляют информацию к размышлению, поскольку детали в значительной степени зависят от того, какие отрасли промышленности учитываются и что понимается под «фундаментальной наукой». Но они укрепляют парадоксальный на первый взгляд вывод: в фундаментальной науке исследования, которые никак не назовешь прикладными, приносят довольно впечатляющие дивиденды.

Но самый важный побочный эффект фундаментальных исследований вообще не связан с технологиями – это вдохновение, которым знание заражает людей всех возрастов. Кто знает, вдруг какой-то ребенок, услышав о бозоне Хиггса, заинтересуется наукой, начнет ее изучать, и в конечном итоге станет врачом или инженером мирового класса? Когда общество инвестирует небольшую часть своего богатства в то, чтобы задавать природе важные вопросы и отвечать на них, оно удовлетворяет неизбывное любопытство, присущее людям, ведь всем нам так хочется узнать, как устроена Вселенная, в которой мы живем!

Если не считать скупого конгрессмена – оппонента Вайнберга, – большинство людей готовы признать, что изучение законов природы – стоящий проект. Однако возникает разумный вопрос: сколько именно по-вашему он стоит? И в этом смысле судьба Сверхпроводящего суперколлайдера довлеет над всеми, кто думает о будущем физики элементарных частиц. Мы живем в эпоху, когда деньги жестко диктуют, какие проекты жизнеспособны, а какие – нет, и дорогие проекты должны оправдывать себя. БАК является потрясающим достижением, и мы надеемся, что он будет активно функционировать еще в течение многих лет, но в какой-то момент все, чему он может научить нас, мы узнаем. И что тогда?

Проблема в том, что хотя подавляющее большинство достойных научных проектов намного дешевле, чем ускоритель частиц высоких энергий, есть определенные вопросы, которые не решаются без такой машины. БАК стоит примерно 9 миллиардов долларов, и он уже подарил нам бозон Хиггса, а в будущем, надеюсь, даст гораздо больше. Не нужно думать, что если бы на этот проект дали всего лишь 4,5 миллиардов долларов, мы бы обнаружили половину бозона Хиггса или нам бы потребовалось в два раза больше времени, чтобы найти его. Мы просто ничего бы не нашли. Создание новых частиц требует высоких энергий и светимостей, а для этого нужно большое количества высококлассного оборудования и опыта, а все это стоит денег. И сегодня существует вполне реальная угроза того, что прекрасный БАК станет последним ускорителем высоких энергий, построенным при нашей жизни.

Если деньги найдутся, недостатка в соображениях по поводу возможных следующих шагов нет. Энергию самого БАКа можно повысить до больших значений, но это уже будет некоторым паллиативом. Основное внимание направлено на создание нового линейного коллайдера (прямолинейного, а не кольцевого), который бы сталкивал электроны и позитроны. Одно из предложений уже окрестили Международным линейным коллайдером (ILC), его длина должна превышать 32 км, а рабочие энергии – либо 500 ГэВ, либо 1 ТэВ.