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

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.

Когда я беседовал с Джоан Хьюэтт о том, какие качества обеспечивают успех в науке, она все время повторяла одно слово: настойчивость. От отдельных ученых требуется настойчивость, чтобы доводить трудные задачи до конца, а общество в целом должно быть готово поддержать дорогостоящие долгосрочные проекты, призванные решать тяжелейшие научные задачи. В работе по расшифровке структуры реальности сливки уже сняты. Легкая жизнь закончилась.

Вопросы, с которыми мы сталкиваемся, нелегки, но если недавняя история чему-то учит, к победе нас должно привести сочетание упорной работы со случайными вспышками озарения. Построение Стандартной модели, может быть, и закончено, но перед нами по-прежнему стоит задача понять остальную часть реальности. И будь это не столь трудно, наша жизнь не была бы так увлекательна.

Первое, что мы всегда слышим о поле Хиггса, – это то, что оно наделяет массой другие частицы. В этом Приложении мы собираемся несколько более подробно, чем в основном тексте, объяснить, что это значит. Все эти пояснения ни в коей мере не являются необходимыми, но кое-что могут прояснить.

Итак: зачем нам нужно поле, чья функция заключается в том, чтобы дать массу другим частицам? Почему частицы не могут получить массу без него?

Конечно, легко представить, что частицы становятся массивными, вообще не вводя поля Хиггса. Но частицы Стандартной модели – частицы особого типа, и из-за этого такое с ними произойти не может. Есть два различных набора частиц, которые получают массу с помощью поля Хиггса: W– и Z-бозоны – переносчики слабых взаимодействий, и электрически заряженные фермионы (электрон, мюон, тау-частица, и все кварки). Бозоны получают массу немного иначе, чем фермионы, но основной механизм в обоих случаях один и тот же: имеется симметрия, которая, как нам представляется, запрещает вообще иметь какую-любую массу, а поле Хиггса нарушает эту симметрию. Чтобы понять, как это происходит, мы должны поговорить о спине элементарных частиц.

Спин – одна из фундаментальных характеристик частиц в квантовой механике. Термин «квантовая механика», хотя сам по себе и не очень точный, связан с тем, что некоторые величины передаются только определенными, дискретными порциями. Например, энергию электрона, связаного с атомным ядром, можно менять только строго определенными порциями. То же самое верно и для величины, известной как «угловой момент» – он показывает, насколько быстро один объект вращается или двигается вокруг другого объекта. Правила квантовой механики говорят, что угловой момент квантуется, другими словами он может изменяться только на величину, пропорциональную некоторому фундаментальному, строго установленному значению. Минимальная неделимая единица углового момента задается постоянной Планка h – фундаментальной константой природы, деленной на 2π. Эта константа столь важна, что получила собственное название – «приведенная постоянная Планка» и причудливое обозначение h. Постоянную h Планк придумал, когда квантовая механика только нарождалась, но оказалось, что h используется гораздо чаще, так что мы именно ее теперь называем постоянной Планка. Численно h равна примерно 6,58 × 10-16 электронвольт умноженных на секунду.