В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

Но существует более важный стимул найти частицу Хиггса, чем честолюбие ученых. Эти частицы — последний недостающий элемент Стандартной модели, свода законов, которые описывают все известные частицы во Вселенной. Все больше ученых считают, что частицы Хиггса не только раскроют тайну массы, но и откроют ворота в скрытый мир частиц и сил, в который мы только-только входим.

Из-за неуловимого характера и огромного значения частицы Хиггса один физик, нобелевский лауреат, дал ей потрясающее название — частица Бога. Прочитав книгу, вы увидите, что существует немного тем, способных так сплотить физиков, как их отвращение к этому названию. Их чувства по этому поводу могут сравниться только с удовольствием

журналистов, пишущих о науке, — для них сие красивое название стало поистине спасительным.

Эта книга является историей о том, как Вселенная обрела массу, как идея, записанная в блокноте почти полвека назад, оказалась в эпицентре всеобщей охоты, поглотившей миллиарды долларов, охоты, в которой задействованы тысячи ученых и самые крупные и сложные научные установки из всех, когда-либо построенных на Земле. И с какой бы стороны ни посмотреть на эту историю, она выглядит весьма массивно и весомо.

Глава 1

Долгая дорога в Принстон

Поездка из Северной Каролины в Приннсстон может занять большую часть дня, да и то, если вам повезет. Путь лежит вдоль Восточного побережья на север, вокруг необъятной глади Чесапикского залива и дальше на Вашингтон, Балтимор и Филадельфию. И вот вы наконец попадете в город, который когда-то стал родным для величайшего физика современности — Альберта Эйнштейна.

Питер Хиггс упаковал кое-какую одежду и папку с теоретическими выкладками и вместе со своей женой Джоди и шестимесячным сыном Кристофером вышел к машине. Уложив чемодан, он стал внимательно изучать дорожный атлас. Наконец подходящий путь выбран. Машина мягко тронулась с места и поехала на северо-восток по трехполосным улицам в направлении автострады. Было раннее утро, и город медленно оживал под мягкими лучами весеннего солнца.

Это было 14 марта 1966 года, спустя год после того, как Хиггс, физик из Университета Эдинбурга, приехал работать в университет городка Чапел-Хилл в Северной Каролине ¹. На его статьи обратил внимание выдающийся ученый, который пригласил его дать семинар в Принстонском институте перспективных исследований, одном из ведущих мировых научных центров. Семинар был обречен на жаркие дискуссии: Хиггс обнаружил явление, которое могло объяснить происхождение массы!

Поездка в Принстон оказалась не простым академическим визитом. Она выдвинула Хиггса в центр внимания научного сообщества и положила начало крупнейшей охоте в истории современной физики. Охоте с использованием установок, стоящих миллиарды долларов и занимающих десятки километров подземных туннелей, и тысяч ученых, десятилетиями пытающихся найти частицы, на которых строится теория Хиггса. Мантра этих ученых проста: найдем частицы Хиггса, и тайна возникновения массы будет раскрыта...

На протяжении веков мыслители даже не представляли, что масса существовала не всегда, по крайней мере в современном смысле слова. Слово “масса” описывало то, сколько вещества, материи находилось в предмете, а слово “материя” являлось не более чем красивым термином для обозначения вещества. Кусок горной породы обладал большей массой, чем буханка хлеба такой же величины (если только у пекаря не случился неудачный день), и этим было все сказано. Понятие массы было настолько интуитивно ясно и осязаемо, что никто всерьез над ним и не размышлял.

Смутное и неполное понятие массы, возникшее в древности, было развито в Средние века. Эгидий Римский (Жиль де Ром), выдающийся теолог и один из самых влиятельных мыслителей конца XIII века, сделал важный концептуальный шаг, проведя различие между размером объекта и количеством вещества, содержащегося в нем ².

Глыба льда, к примеру, явно изменяла форму, когда сначала, растаяв, превратилась в воду, потом, испарившись, превратилась в пар, который затем, сконденсировавшись, замерз и снова превратился в твердый кусок. Тем не менее, как говорил Эгидий, количество вещества на всех этапах превращений оставалось прежним. Это наблюдение, несомненно сделанное в процессе оживленной богословской дискуссии о пресуществлении (превращении хлеба и вина в Тело и Кровь Христову), отражает современные определения объема и массы.

В начале XIV века на понятие массы обратил внимание парижский философ Жан Буридан. Он описывал, как ведет себя подброшенный объект, если ему придать импетус (что-то вроде импульса), зависящий от того, сколько вещества этот предмет содержит, и скорости, с которой он был подброшен ³. В XVI веке немецкий астроном Иоганн Кеплер пошел еще дальше — он утверждал, что планеты движутся по стационарным орбитам, а не носятся, сталкиваясь, по всему пространству, как бильярдные шары, благодаря инерции, возникающей из-за их огромных масс.

Несмотря на гениальные прозрения философов и астрономов прошлого, термин “масса” не использовался систематически до 1687 года, когда Исаак Ньютон заложил основы классической механики в своей великой книге “Principia” (“Начала”) ⁴. По Ньютону, масса — количество материи, зависящее от объема и плотности объекта. Масса объекта определяет его инерцию или сопротивляемость при воздействии на него, а также то, насколько сильно он подвержен силе тяжести. С помощью этих определений Ньютон сформулировал основные законы движения.

Однако у Ньютона было гораздо более глубокое и интуитивное представление о массе и материи, чем то, что он описал в “Principia”. Он считал, что объекты, существующие в мире, состоят из бесчисленных крошечных частиц, созданных Богом, которые никогда и никем не могут быть разрушены. Частицы, имеющие различные формы и размеры, собираются вместе, образуя различные материалы. Все, что человек способен сделать, — это научиться придавать новые формы конгломератам исчезающе малых частиц.

Почти через двадцать лет после публикации “Начал” Ньютон позволил себе порассуждать на тему природы материи в своем следующем великом трактате — в “Оптике”. Он писал: “Я думаю, Бог вначале создал вещество из твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц... настолько твердых, что они никогда не распадутся на куски и не износятся” ⁵. Размышления Ньютона о материи были не так уж далеки от истины. И сегодня ученые представляют материю состоящей из частиц, которые практически не поддаются разрушению. Физикам потребовалось более полувека, чтобы выяснить, из каких основных строительных блоков собираются атомы. Различные комбинации этих блоков дают разнообразие химических элементов Периодической таблицы — атомов, из которых образуются различные вещества: металлы, кристаллы, жидкости и газы. Соединяясь друг с другом, атомы образуют бесконечное разнообразие молекул.

Ученые называют основные строительные блоки материи фундаментальными или элементарными частицами; по определению их нельзя разбить на более мелкие части. Первая такая частица была обнаружена в 1897 году Дж. Дж. Томсоном в Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете ⁶. Томсон, как и многие физики того времени, был заинтригован природой светящихся лучей, которые возникали в стеклянной трубке, заполненной газом при низком давлении, когда напряжение подавалось на электроды, расположенные внутри трубки. Таинственные лучи выходили из катода, отрицательно заряженного электрода, и шли на анод, электрод, заряженный положительно.