В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

Все вокруг нас поглощает и излучает энергию в виде электромагнитных волн. Когда люди выделяют тепло, энергия излучается в виде инфракрасных волн. Эти волны невидимы для человеческого глаза, но могут быть зарегистрированы инфракрасной камерой типа тех, что используются полицией для слежки за преступниками в темноте. В эксперименте, который заинтересовал Планка, использовались печи, специально предназначенные для изучения теплового излучения.

Планк не должен был делать эксперименты сам. Он был физиком-теоретиком и анализировал данные, полученные его друзьями, работавшими в университетской лаборатории. Его задачей было найти объяснение результатов, и для этого он должен был разобраться, почему по мере нагрева печь меняет свой цвет.

Итак, нагреваясь, печь сначала становилась тускло-красной, затем ярко-красной, потом оранжевой, желтой и наконец блестяще-белой.

Выходит, цвет напрямую связан с температурой, причем так строго, что по цвету можно определить температуру печи. Значит, размышлял Планк, изменение цвета указывает на “нечто абсолютное” — тут присутствует какая-то фундаментальная тайна природы. Чтобы цвет излучения менялся так, как он менялся, печь, нагреваясь, должна испускать волны со все более короткой длиной (красный свет имеет большую длину волны, чем оранжевый, а тот — большую, чем желтый), при этом диапазон длин волн испускаемого излучения расширяется. При самых высоких температурах печь испускает белый свет — светится сразу всеми цветами радуги.

Время от времени наука совершает скачок лишь благодаря интуиции ученого, а как раз интуиции у Планка было в избытке. Однажды вечером он вывел математическую формулу, почти идеально описывающую экспериментальные результаты по излучению печи. Уравнение Планка оказалось настолько точным, что, когда ученые усовершенствовали установку, результаты, полученные с ее помощью, стали описываться этим уравнением еще лучше.

И тогда Планк задумался: почему его формула так хорошо описывает эксперимент? В чем тут секрет? Он знал, что количество световой энергии, которое печь излучает в равновесном режиме, определяется ее температурой. Чем горячее печь, тем больше энергии она излучает. Планк понял, что вопреки существовавшим ранее представлениям коротковолновый свет должен нести большую энергию, чем длинноволновый. Когда печь едва теплая, она может излучать только красный свет, но при более высоких температурах у нее достаточно энергии, чтобы светиться оранжевым, желтым или даже голубым.

Настоящая магия в открытии Планка обнаружилась позже. Он понял, что его формула работает, только если энергия, излучаемая печью, представляет собой поток крошечных импульсов или пакетов. Количество энергии в каждом волновом пакете зависит от цвета. У пакетов красного света меньше энергии, чем у пакетов синего света. Позже эти волновые пакеты световой энергии стали называть квантами.

Планк опубликовал свои поистине революционные результаты в 1900 году — то был для него весьма неплохой год, а ведь, когда Планку было 17 лет, все советовали ему найти себе занятие поувлекательнее физики, поскольку тогда считалось, что основные задачи этой науки уже решены!

Планк сделал свое открытие случайно. И в тот момент никто, и даже он сам, не понимал, насколько оно важно. Планк считал свою теорию скорее математическим трюком, чем правильным описанием физического явления. Легко понять, почему ученый осторожничал — его теория противоречила общепризнанной работе Максвелла, описывающей свет как непрерывную электромагнитную волну.

А первым оценил значимость теории Планка Альберт Эйнштейн — ему, кстати, тогда было всего двадцать с небольшим. В 1905 году Эйнштейн понял, что если он истолкует понятие кванта буквально, то сможет объяснить одну из загадок физики того времени — так называемый фотоэлектрический эффект ⁴⁴. Лабораторные эксперименты показали, что, если освещать светом фотокатод в вакуумном приборе, в нем при замыкании цепи может возникнуть электрический ток, причем наиболее ярко эффект проявлялся при облучении фиолетовым светом, зато полностью отсутствовал при облучении красным.

Эйнштейн рассудил, что электроны не вылетают с поверхности металла, пока количество поглощенной ими энергии меньше определенного значения. Ток возникает только тогда, когда падающий свет состоит из квантов со сравнительно большой энергией, достаточной для преодоления электронами работы выхода. Вы можете направить прожектор на кусок металла, но вам не удастся выбить из него ни одного электрона, если вы освещаете светом неправильного цвета, — его кванты несут слишком мало энергии. Это все равно что играть в ярмарочную игру “бросание шаров в кокосовые орехи” (типа игры в кегли), кидая в мишени мячи для пинг-понга. Бросай сколько хочешь, но кокос не пошевелится, пока вы не запустите в него что-то более весомое. За использование концепции квантов для объяснения фотоэлектрического эффекта Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Его работы ясно показали, что идея представления потока

энергии как потока квантов должна восприниматься всерьез. Очень скоро квантовая теория стала основным направлением в теоретической физике. Через четыре года после объяснения фотоэффекта Эйнштейн существенно развил ее и показал: кванты света обладают еще и импульсом, что делает их полноправными частицами. Ученые работали над квантовой теорией еще на протяжении трех десятилетий, пока она не превратилась в стройную теорию, объясняющую процессы, происходящие внутри атомов.

Работы Планка и Эйнштейна показали, что микромир, мир атомов, подчиняется совсем иным законам, чем те, что Ньютон написал для макромира и которые согласуются с нашим повседневным опытом. Законы Ньютона прекрасно годятся для описания больших предметов вроде автомобилей и пушечных ядер, но в мире атомных частиц действуют другие правила — странные и противоречащие общепринятым понятиям. Поведение строительных блоков материи просто невозможно понять без понимания законов квантового мира.

Когда рождалась квантовая физика, ученые еще мало что знали о структуре атома. В модели, предложенной Эрнестом Резерфордом и Нильсом Бором, атомы состояли из твердых ядер, окруженных электронами, которые вращались вокруг ядер по концентрическим орбитам. В 1913 году Бор понял, что квантовая интерпретация движения электронов по орбитам позволяет объяснить длину волны (цвет) света, поглощаемого и излучаемого газообразным водородом. Это была очень специальная работа, но она окончательно убедила физиков, что идея квантов дает ключ к пониманию строения материи.

На протяжении более чем десяти лет работы в области квантовой физики носили фрагментарный и отрывочный характер, а ученым требовалась полная квантовая теория, объясняющая поведение любой частицы в любом атоме или молекуле. Успех принесли четыре года, с 1925-го по 1929-й, четыре года интенсивной работы, завершившиеся созданием “квантовой механики” — раздела квантовой теории, описывающей процессы, происходящие в мире атомов.

Вернер Гейзенберг, 24-летний физик из Геттингенского университета, был первым, кто добился тогда серьезных успехов. В конце мая 1925 года Гейзенберг жестоко страдал от сенной лихорадки. Нужно было срочно уехать — туда, где ничего не росло и не цвело. Отпросившись у своего руководителя Макса Борна в отпуск на две недели, Гейзенберг отправился на Гельголанд, небольшой остров в Северном море, который милостью Божьей был лишен всяческих цветов и трав. Когда он приехал — с жутко распухшим лицом и слезящимися глазами, — хозяйка гостиницы решила, что его избили в драке, и предложила подлечить молодого постояльца. Из окна его номера на втором этаже Гейзенбергу открылся чарующий вид на деревню, песчаные дюны и бескрайнее море.

К этому времени Гейзенберг разочаровался в результатах физиков, бьющихся над проблемами квантовой теории, и решил начать все заново. Единственное, что он использовал в своих расчетах, — это свойства атомов, полученные в лабораторных экспериментах, например длины волн света, поглощаемого или испускаемого газами, или иначе — атомные спектры ⁴⁵. Расположив данные в виде таблицы, Гейзенберг решил описывать процессы поглощения и излучения света с помощью прыжков электронов с одних энергетических уровней в атоме на другие. Поглощая свет, электроны прыгают на более высокий уровень; падая вниз, испускают его снова.

Это была блестящая идея — использовать атомные спектры для понимания структуры атома. Облучи атом светом, и он будет поглощать волны, длина которых соответствует энергии, необходимой, чтобы забросить электроны на более высокую орбиту. А когда электроны снова падают вниз, выделяется энергия и испускается свет той же длины волны, что и при поглощении. По длинам волн поглощенного и излучаемого света можно определить энергетическую структуру электронных орбит атома.

По мере того как работа Гейзенберга продвигалась вперед, стала проясняться механика атома ⁴⁶. Волнуясь, он делал множество ошибок, нервничал. “Я был сильно взволнован, — писал он о своем пребывании на Гельголанде. — У меня было ощущение, что сквозь пелену множества беспорядочных атомных явлений я увидел удивительно красивую картину, и тогда я почувствовал легкое головокружение”. Наконец Гейзенберг завершил первый расчет, выполненный с помощью своей новой (матричной) техники. Случилось это в 3 часа ночи. Слишком возбужденный, чтобы спать, он вышел из дома и побрел к южной оконечности Гельголанда, вскарабкался на скалу, которая торчала над морем, и дождался восхода солнца.