Чтение онлайн

Простейшая возможность (а этого достаточно, чтобы в представлениях некоторых физиков сделать ее самой вероятной) состоит в том, что ученые обнаружат одну незаряженную частицу Хиггса, которая плотно уляжется в Стандартную модель как последний кусочек пазла. Это помогло бы разгадать тайну происхождения массы и развязать последний узел, оставшийся в Стандартной модели. Но тогда физики окажутся в очень затруднительном положении, поскольку им известно, что Стандартная модель не описывает всего многообразия явлений, происходящих во Вселенной. Например, она ничего не говорит о темной материи или гравитации, а ученые отчаянно хотят, чтобы бозон Хиггса указал путь к пониманию этих и других тайн природы.

В одном из наших разговоров со Стивеном Вайнбергом (когда я приезжал к нему в Университет Остина, штат Техас) он посетовал, что физика элементарных частиц оказалась в ненормальной ситуации: теоретические идеи ушли намного вперед в объяснении того, что экспериментаторы лишь надеются увидеть в своих экспериментах в будущем, и в этом нет ничьей вины. Бозон Хиггса может подсказать выход из тупика, но — не обязательно. “Открытие единственной нейтральной частицы Хиггса не выведет нас из депрессии, а наоборот, еще более усилит наше подавленное состояние, — сказал он. — Мы обнаружим только то, что ожидали увидеть, и не получим ключа к пониманию нового. Для нас было бы лучше, если бы существовало несколько видов частиц Хиггса или их не было вовсе”.

Перспектива остаться с пустыми руками по окончании охоты на бозон Хиггса очень реальна, по крайней мере, так думают некоторые ученые. В декабре 2009 года, всего через несколько дней после того, как на LHC увидели первые пробные столкновения, Тини Вельтман, который разделил в 1970-х годах Нобелевскую премию с Герардом т’ Хоофтом за работы, связанные с механизмом Хиггса, выступил на семинаре в ЦЕРНе. Вельтман высказал предположение, что частицы Хиггса просто могут не существовать и что все частицы обретают массу другим способом 192. Если они, эти неуловимые бозоны, все-таки существуют, то вполне могут быть невидимыми. Это означает, что, едва родившись, они сразу распадаются на такие частицы, которые в современных детекторах увидеть нельзя. Вельтман закончил доклад словами: “Если уже в ближайшем будущем бозон Хиггса найден не будет, то он либо не существует, либо невидим. Сейчас мне кажется более вероятной перспектива, которую можно сформулировать кратко так: “Хиггса не существует”.

Вельтман не единственный, кто сомневается в существовании частицы Хиггса в том виде, в котором большинство ученых склонны ее представлять. В 2009 году два физика, Дэвид Станкато и Джон Тернинг из Калифорнийского университета в Дэвисе, заявили, что бозон Хиггса может быть вовсе не частицей, а тем, что они назвали “нечастица” или “Нехиггс” 193.

Эти нечастицы последнее время вызывают огромный интерес. У них много общего с обычными частицами, но и ряд особенностей. Нормальные частицы имеют четко определенные массы, а масса нечастиц размыта и неопределенна. Этот факт сам по себе ставит успех охоты на “Нехиггса” под вопрос. Еще хуже то, считают Станкато и Тернинг, что, если “Нехиггс” родится внутри LHC, его почти невозможно будет обнаружить с помощью детекторов.

Вернувшись в свой кабинет, Джон Эллис объясняет, на какие важнейшие вопросы придется ответить физикам, когда они найдут частицы Хиггса. Так, ученые пока не знают, частицы Хиггса — элементарные или состоят из более мелких частиц. Если они состоят из других частиц, то те могут быть уже известными или совершенно новыми частицами. Скорее всего, поиск ответов займет у физиков многие годы.

Перед моим приездом ночью на Женеву выпал снег, и поля вокруг ЦЕРНа припорошило белой пудрой. Сцена была подготовлена для любимой Эллисом аллегории поля Хиггса. “Представьте себе бесконечное снежное поле, которое заполняет всю Вселенную, — говорит он. — Некоторые частицы могут бежать по снегу, будто на лыжах. Это фотоны — безмассовые частицы, которые не обращают внимания на поле Хиггса и мчатся по нему со скоростью света. Другие частицы, например электрон, ведут себя так, словно у них на ногах снегоступы. Они слегка проваливаются в снег, их движение замедляется, и таким образом они приобретают небольшую массу. Но в природе есть частицы, к примеру истинные (top) кварки, которые вообще не обуты. Они проваливаются глубоко в снег и в процессе движения становятся сверхтяжелыми. Поиск бозона Хиггса эквивалентен сбору снежинок с этого космического снежного поля и изучению их под микроскопом”.

Возможно, самое интригующее тут — это почему некоторые частицы увязают в поле Хиггса больше других. Тут — суть вопроса о массе. Наиболее тяжелый из кварков — истинный кварк — примерно в 400 000 раз тяжелее электрона. Поле Хиггса дает кваркам и электронам возможность обрести массу, но ничего не говорит о том, почему они получают именно такие массы. Почему некоторые частицы существенно массивее, чем другие? “К сожалению, — говорит Эллис, — у нас нет теории, объясняющей, почему некоторые частицы носят снегоступы, а другие ходят по снегу босиком”.

Покойный британский писатель Рональд У. Кларк в известной биографии “Эйнштейн: Жизнь и Времена”, опубликованной в 1972 году, рассказывает историю о необычном тосте, произнесенном некогда в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Заведующим лабораторией в то время был Дж. Дж. Томсон, получивший Нобелевскую премию за открытие электрона в 1897 году. Тост произнес один из сотрудников Томсона, выдающийся физик Эдвард Андраде. Он поднял бокал “за бесполезный электрон”, добавив: “который еще долго будет оставаться таковым!”.

Никто тогда не знал, что электрон готовится преобразить мир. Когда Томсон рассказывал про вновь открытые частицы, народ слушал его в недоумении. Все думали, что почтенный ученый дурит им голову: идея частиц размером меньше атома казалась абсурдом! Даже те, кто верил Томсону, с трудом тогда представляли, какую пользу на самом деле можно извлечь из его открытия.

Такие истории происходят в науке очень часто. В конце XIX века Джеймс Клерк Максвелл объединил электричество и магнетизм и показал, что свет — это электромагнитные волны. Сегодняшний мир невозможен без технологий, в которых используются максвелловские открытия. Научившись манипулировать электромагнитными волнами, мы получили мобильные телефоны, беспроводной Интернет, электронные ключи от машины, больничные компьютерные томографы и спутниковое телевидение. И опять, как и в случае с электроном, никто из современников Максвелла не мог вообразить эти технологии. Недаром однажды гениальный Нильс Бор заметил: “Делать прогнозы трудно, особенно на будущее” 194.

Некоторые физики полагают, что подобно тому, как мы научились использовать электромагнитное поле, мы в конце концов научимся манипулировать и полем Хиггса, хотя сегодня трудно придумать какое-либо конкретное приложение, не нагородив глупостей, о чем и предупреждал нас мудрый Бор. Понятно, что изменение массы элементарных частиц не решит проблему ожирения. Не уменьшит оно и количество пробок в Лондоне, Токио и Мехико, даже если инженеры научатся создавать транспортные средства, парящие над землей. Правда, один ученый сказал мне, лишь отчасти в шутку, что военные могли бы попытаться сделать то, что может быть названо в буквальном смысле “оружием массового уничтожения” 195. Выключите поле Хиггса, и все объекты в окрестности исчезнут, оставив после себя лишь вспышку света, — элементарные частицы, из которых они состоят, потеряют массы и унесутся вдаль со скоростью света. Конечно, это все из области фантазии. Наверное, теоретически можно менять напряженность поля Хиггса, но для этого потребовалось бы огромное, нереальное количество энергии 196. Любой человек, склонный к массовому уничтожению, попытается уничтожить Землю, используя более традиционные способы.

Но есть некое, весьма перспективное применение частицам Хиггса, быстро становящееся одним из самых захватывающих направлений физики. С начала нашего столетия все больше ученых приходят к выводу, что частицы Хиггса могут стать краеугольным камнем следующей крупной революции в науке. Когда происходят сдвиги в человеческом мышлении и восприятии реальности, революцию не остановить.

Люди всегда считали себя особенными. Насколько нам пока известно, мы одни во Вселенной овладели речью, создали великие произведения искусства и литературы и сформулировали законы природы. Но наука постоянно наносит по нашим представлениям о человеке как венце природы сильнейшие удары. То и дело возникают революционные идеи, сотрясающие фундамент, на котором зиждется наше высокомерие.

Три крупные революции сделали в этом отношении, пожалуй, больше других. Первый удар — в XVI веке — нанес польский астроном Николай Коперник. Коперник использовал математику для низвержения религиозных представлений о том, что Земля — центр мироздания. Он показал, что Земля находится даже не в центре нашей собственной Солнечной системы, а что она — всего лишь одна из многих планет, вращающихся вокруг Солнца.

Чарльз Дарвин и его современники ответственны за следующую революцию. Спустя более трехсот лет после смерти Коперника Дарвин доказал, что и люди тоже не уникальны. Когда он в 1859 году опубликовал книгу под названием “О происхождении видов”, где рассказал о своей теории эволюции путем естественного отбора, стало ясно, что люди — просто один из видов млекопитающих. Если вы полагаете, что вы — венец эволюции, обдумайте это хорошенько еще раз.