В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

Один из физиков, с которым Дайсон встретился в Корнелле, был Ричард Фейнман. Этот уроженец Нью-Йорка, уверенный в себе блестящий молодой ученый, осмелился броситься на спасение терпящей бедствие квантовой теории поля ⁶¹. В 1947 году Фейнман понял, что вместо того, чтобы рассматривать каждую частицу света, возникавшую и исчезавшую вблизи электрона, лучше отступить подальше и рассмотреть фотоны скорее как облако энергии, окутывающее электрон. Сделав это, можно перенормировать массу и заряд электрона, принимая во внимание эффект фотонного облака. Когда Фейнман провел математические выкладки, бесконечность, доставившая столько неприятностей и грозившая убить теорию, исчезла.

Работа Феймана привела к выработке принципа, известного как принцип перенормировки. Это был

прорыв, необходимый квантовой электродинамике, — она приобрела прочный фундамент. Стало ясно, что теория правильно описывает не только медленные, низкоэнергетические частицы, но и частицы с высокими энергиями, которые носятся вокруг со скоростью света или близкой к ней. Работа Фейнмана должна была бы вызвать восторг физиков во всех университетах, но возникло одно омрачающее радость обстоятельство — к решению этой же проблемы, но совершенно иными путями пришли два других ученых: Джулиус Швингер из Гарвардского университета и Синьитиро Томонага из Токийского университета. Томонага решил эту проблему еще во время войны, но потребовались годы, чтобы о нем узнали на Западе. Щекотливая ситуация повторяла некрасивую историю конца 1920-х, когда Гейзенберг и Шрёдингер разработали две конкурирующие формулировки квантовой механики.

Летом 1948 года Дайсон и Фейнман сорвались с места и отправились из Нью-Йорка в Альбукерке, Нью-Мексико. По пути они поговорили о физике, подвезли попутчиков, провели ночь в борделе (поскольку в местных отелях свободных номеров не оказалось) и поимели неприятности от полиции за превышение скорости. В планы Фейнмана входила встреча с некой девушкой ⁶², а потому Дайсон продолжил путешествие один.

Дайсон открывал для себя Америку, путешествуя по стране в ветхих автобусах компании “Greyhound”, курсировавших между пустынными терминалами, обычно расположенными почему-то в наиболее глухих районах американских городов. После пары недель путешествий он сел в автобус, едущий из Калифорнии в Нью-Йорк. Где-то в глубине штата Небраска, когда он рассеянно смотрел в окно, его внезапно осенило. Он несколько недель, не думал о физике, но тут мысль словно взорвалась, в его сознании. Он с кристальной ясностью представил себе работы Фейнмана, Швингера и Томонаги. Они выглядели такими разными, но Дайсон понял, что авторы пришли к одному и тому же результату, правда используя разные методы. У Дайсона не было ни ручки, ни бумаги, чтобы записать свои мысли, но все это ему было не нужно. Он придумал в уме, как объединить три теории в одну. Вернувшись в Корнелл, Дайсон проверил свои идеи и убедился, что все правильно. Его статья, вышедшая в 1949 году, произвела сенсацию.

Наука движется вперед скачками. То одна проблема решается, то другая, но на их месте тут же появляются новые. Работы Дайсона увенчали здание, в фундаменте которого лежала теория электромагнитного поля Максвелла и которое росло с каждым новым прорывом в физике. После опубликования статьи Дайсона ученые наконец-то получили совершенно работоспособную квантовую теорию поля, объяснявшую поведение наиболее важных частиц во Вселенной — электронов и фотонов. Недаром Фейнман назвал квантовую электродинамику (КЭД) жемчужиной физики.

Успех квантовой электродинамики определил направление развития теоретической физики элементарных частиц на оставшуюся часть XX века. К примеру, ученые решили расширить рамки квантовой теории поля и объяснить поведение других частиц, таких как субатомные частицы частицы, из которых состоят ядра атомов. В квантовой теории поля считается, что наша Вселенная пронизана различными полями. Кванты этих полей — это либо частицы, из которых построена материя, либо частицы, служащие для передачи взаимодействия между ними. Например, частицы света — фотоны — кванты электромагнитного поля и переносчики электромагнитного взаимодействия, электрон — частица материи и квант электрон-позитронного поля, глюоны — переносчики сильного взаимодействия.

А между тем Питер Хиггс заканчивал последний год своей учебы в Лондоне. Неудачные попытки проделать эксперименты убедили его, что в будущем он должен заниматься теоретической физикой. Ему повезло: Королевский

колледж только что запустил курс лекций по теоретической физике, и Хиггс стал первым, и единственным, его слушателем. В конце учебного года руководители физического факультета поняли, что у них возникли некие трудности. Преподаватели должны были устроить Хиггсу экзамен, но не знали, какие вопросы задать, — раньше им не приходилось принимать экзамен по теоретической физике. И тогда одному из профессоров пришла в голову блестящая идея, которая всем понравилась. Уважаемые мэтры взяли физическую статью, только что опубликованную в одном из лучших физических журналов. Думая, что Хиггс вряд ли видел ее, не говоря уже о том, чтобы прочитал, они превратили статью в экзаменационную задачу для Хиггса.

Более пятидесяти лет спустя, на заседании Королевского общества в Лондоне, я встретил Майкла Фишера, выдающегося физика, профессора Университета штата Мэриленд. Он был весьма элегантен и одет столь безукоризненно, словно по пути на заседание заехал на Сэвил-роу ⁶³. С удовольствием вспоминая прошлое, этот невысокий человек широко улыбался. Он едва помнил стародавние философские споры с Хиггсом в Максвелловском обществе, но именно в ту пору сокурсники стали друзьями на всю жизнь. Фишер и поведал мне об экзамене, который устроили Хиггсу в выпускной год. Когда Питер передал свой листок с решением профессору, тот посмотрел на него с явным недоверием: Питер получил правильный ответ, и более того — “Его решение оказалось лучше, чем у автора статьи!” — с восторгом рассказывал Фишер.

Выпускной год. Нужно решить, что делать дальше. Хиггс отчаянно хотел пройти аспирантуру по квантовой теории поля. Питер знал, что Поль Дирак все еще работал, причем в одной из лучших научных групп мира, в Кембриджском университете. Однако существовало две проблемы: одна — Дирак, другая — Кембридж. Хиггс по-прежнему настороженно относился к Оксбриджу и тем, кто там учился и работал. Но и с Дираком было очень непросто. Великий ученый был молчалив до такой степени, что некоторые считали его аутистом. Это качество давало повод посудачить о его странностях в отношениях с людьми. Так, Дирак не любил брать аспирантов: считал руководство их работой рутиной и редко проявлял интерес к их успехам. Один молодой физик, Деннис Скьяма, который в дальнейшем стал научным руководителем британских космологов Стивена Хокинга и Мартина Риса, в течение короткого времени был аспирантом Дирака. Однажды Денниса осенила блестящая идея из области космологии. Он тут же побежал к своему научному руководителю и постучал в дверь его кабинета. Услышав “войдите”, он открыл дверь и сказал: “Профессор Дирак, я только что придумал, как связать формирование звезд с космологическими вопросами, можно я расскажу вам об этом?” Дирак ответил: “Нет”. Скьяме не оставалось ничего иного, как уйти.

Существовало и более серьезное обстоятельство, повлиявшее на будущее Хиггса. Он обсудил свои планы с Чарльзом Колсоном, а тот предупредил молодого ученого, что квантовая теория поля зашла в тупик. “Это та область, в которой вы либо ничего не достигнете, либо получите Нобелевскую премию”, — сказал Колсон. Хиггс в то время не знал, что мнение Колсона уже устарело — проблемы, которые он имел в виду, были решены годом ранее Фрименом Дайсоном, Ричардом Фейнманом и другими.

Хиггс выбрал наиболее безопасный путь и — остался в Королевском колледже. Его докторская диссертация была посвящена теоретическим вопросам химии, имеющим важное значение для понимания структуры молекул.

После того как молодые ученые получают докторскую степень, они обычно проводят какое-то время в постдокторантуре ⁶⁴. Её можно считать неопределенным, промежуточным состоянием. Обычно она длится один-два года, в которые молодые ученые получают университетские стипендии. Это выгодно университетам, поскольку постдоки — довольно дешевая рабочая сила. Хиггс провел несколько лет на постдоковских позициях. Из них два года на физическом факультете в Эдинбурге — городе, в который он влюбился, когда путешествовал автостопом во время международного фестиваля в 1949 году. Потом он работал в других местах — в Имперском колледже, а затем в Университетском колледже Лондона, — и там читал лекции по математике.