В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

Незадолго до этого в институт пришел новый профессор теоретической физики, Мартинус Вельтман — “Тини”. Он был наставником ‘т Хоофта в университете и руководителем его докторской диссертации. Как и у ‘т Хоофта, у Вельтмана был свои собственный взгляд на все, но он был более упрямым и обладал ярко выраженным нонконформистским характером ⁸⁹. Вельтман настороженно относился к любому, кто считал себя экспертом в чем-то, и всегда доверял своему внутреннему голосу больше, чем кому бы то ни было. Когда многие физики утверждали, что квантовая теория поля мертва, Вельтман вопреки советам коллег продолжал ею заниматься.

Вельтман работал над теориями типа теории

Вайнберга и был полон решимости доказать, что расходимости им не страшны. Работа шла тяжело, уравнения разрастались, и вскоре в них входило уже около 50 000 членов. Когда стало ясно, что расчеты слишком громоздки, чтобы делать их вручную, Вельтман решил: лучший способ борьбы с громоздкими уравнениями — отдать их решать компьютеру. Через три месяца адской работы он написал необходимую компьютерную программу и приготовился ее запустить.

В те времена данные в компьютеры вводились с помощью перфокарт, а результата приходилось ждать несколько дней. Вельтман в своем портфеле носил сотни перфокарт. Хорошо уже было то, что они были пронумерованы, то есть даже если они падали на пол и перепутывались, компьютер все равно их воспринять. Вельтман дал программе имя “Schoonschip”, что в переводе с голландского означает “Чистый корабль — так в старину моряки, вычистив перед плаванием судно от носа до кормы, называли свой корабль. А еще так в Голландии говорили когда хотели что-то начать с чистого листа.

Первые же расчеты с помощью программы “Schoonschip” показали, что уравнения Вельтмана неправильны. Когда программа выплюнула результат, стало ясно, что проблема расходимостей не исчезла. Вельтман продолжал биться, подправлял уравнения и вставлял их обратно в “Schoonschip”. А в это время ‘т Хоофт делал то, что он умел делать лучше всего, — строил свою теорию из первых принципов. Закончив, он понял, что механизм Хиггса — неотъемлемая часть его теории. Он, в сущности, заново построил теорию Хиггса ⁹⁰. А когда проверил свои расчеты, то увидел — проблема расходимости решена!

Однажды осенним днем 1970 года Вельтман и ‘т Хоофт прогуливались по дорожке, ведущей от одного здания института к другому. Вельтман жаловался на трудности с расчетами и говорил, что нужно построить всего одну перенормируемую теорию, которая могла бы объяснить массу частиц. “Я знаю, как это сделать”, — сказал ‘т Хоофт. Вельтман в изумлении уставился на него. “Что?!” — воскликнул он. “Ну да, я могу сделать”, — повторил ‘т Хоофт. От неожиданности Вельтман на миг потерял дар речи и чуть не врезался в дерево. “Напишите, мы посмотрим”, — сказал он.

При сравнении их расчетов стало ясно, что Вельтман в своей теории не учел некой важной вещи, а именно — механизма Хиггса. Он думал, что этот механизм — просто некий трюк, и решил его проигнорировать. Когда же он ввел его, вставил соответствующие члены в свои уравнения и прогнал программу через компьютер еще раз, оказалось, что расходимости действительно возникали, но тут же компенсировали друг друга. Таким образом работа, завершенная в 1970 году, не только подвела под теорию Вайнберга твердую основу, но и доказала, что она правильна, именно благодаря механизму Хиггса. Следующим летом Вельтман организовал конференцию по физике элементарных частиц в Амстердаме и на последнем заседании отвел ‘т Хоофту десять минут для сообщения об их открытии. “Мы им всем покажем!” — сказал Вельтман ‘т Хоофту. Физики действительно восприняли их результаты с восторгом. Как изящно выразился теоретик из Гарвардского университета Сидни Коулман, “поцелуй ‘т Хоофта расколдовал лягушку Вайнберга и превратил ее в прекрасную принцессу” ⁹¹.

Это

было летом 1972 года, в клубе преподавателей Эдинбургского университета. Хиггс только что закончил ланч, когда появился Кен Пич, его друг и коллега. “Ты — звезда!” — воскликнул Пич вместо приветствия. Он только что вернулся с совещания, состоявшегося в знаменитом Фермилабе — Национальной лаборатории имени Ферми, крупнейшем американском физическом центре, расположенном на окраине Чикаго. Имя Хиггса звучало почти в каждом докладе, затрагивающем темы нарушения симметрии или происхождения массы. Именно тогда Питер в первый раз услышал о том, что слова “поле Хиггса” и “механизм Хиггса” вошли в научный лексикон.

Хиггс улыбнулся. Новость подняла ему настронние. Однако Питер понимал, что, хотя именно он получил основополагающие результаты по происхождению массы, поспевать за другими в этой области становится все труднее. Через несколько лет, описывая ситуацию того времени, Хиггс сказал: “Поскольку я сделал важные работы, инициировавшие последовавшие исследования, все посчитали, что я должен понимать все, что происходит в этой области. Но чем дальше, тем меньше я понимал. Когда же стали известны результаты Вельтмана и ‘т Хоофта, я сдался и отказался участвовать в гонке”.

Хиггс решил заняться другими вещами. Он заинтересовался так называемой теорией суперсимметрии, которая раскрашивает наш мир новыми неожиданными красками. Одним махом суперсимметрия удваивает число частиц во Вселенной. Согласно этой теории каждая новая суперсимметричная частица — это пока еще необнаруженная частица с большой массой, составляющая пару с известной частицей. В этой теории, например, появляются пары селектрон — электрон, скварки — кварки. Ученые посчитали новую теорию весьма многообещающей, поскольку с ее помощью разрешались некоторые застарелые противоречия в физике. Любопытно, что в некоторых версиях теории возникала не одна частица Хиггса, а пять, и все они играли свою роль в обретении частицами массы.

То, что Хиггсу все сложнее становилось работать в своей области, было не единственной трудностью, с которой он столкнулся в это время. Весной 1972 года распался их брак с Джоди (хотя официально они так никогда и не развелись), а ведь у них уже было двое сыновей. “Я тогда был не в том состоянии, чтобы, забыв обо всем, сосредоточиться на решении теоретических задач”, — вспоминал Хиггс. В интервью газете “Sunday Times” в 2008 году Хиггс назвал причиной крушения семьи свою одержимость работой: “Мы разъехались, потому что я всегда ставил научную карьеру выше семьи. Однажды я увильнул от проведения праздников с семьей, а ведь мы собирались поехать в Америку. Но я сел тогда в самолет и полетел на конференцию. Джоди, моя жена, совсем перестала понимать, что я делаю”.

Момент, когда имя Хиггса вошло в историю, трудно определить однозначно. Хиггс считает, что это случилось в 1972 году на конференции в Фермилабе. По словам Хиггса, он стал самым известным теоретиком по чистой случайности. В 1967 году на приеме, устроенном в честь открытия некой конференции в Рочестере, штат Нью-Йорк, Хиггс с бокалом вина в одной руке и бутербродом в другой рассказал о своей работе американскому физику корейского происхождения, Бену Ли. Случилось так, что Ли был докладчиком на конференции в Фермилабе в 1972 году. Составляя план доклада, он вспомнил тот разговор и использовал имя Хиггса как условное обозначение теории и всего, с ней связанного. С тех пор это название в науке укоренилось. Дик Хаген считает, что словосочетание “бозон Хиггса” впервые прозвучало на Рочестерской конференция в Беркли в 1966 году. После конференции Хиггс написал организаторам письмо, протестуя против этого названия.