«Все еще неизвестная Вселенная»

В книге «Все еще неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке» (Альпина нон-фикшн), переведенной на русский язык Сергеем Черниным, лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг делится взглядами на фундаментальные вопросы физики и устройства Вселенной, не сдерживая себя дисциплинарными рамками.N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, в котором Вайнберг рассуждает о том, почему открытие бозона Хиггса — столь важное событие для науки и человечества в целом.

Почему бозон Хиггса?

После объявления в 2012 г. об открытии бозона Хиггса меня попросили объяснить на страницах газеты The International Herald Tribune, причину суеты. Статья, текст которой представлен в этой главе, появилась в редакторской рубрике в уик-энд 14–15 июля 2012 г. Другая моя статья на ту же тему вышла 16 августа 2012 г. в журнале The New York Review of Books. В тексте я намеренно оставил открытым вопрос, действительно ли новая частица, обнаруженная в опытах CERN, является тем самым «бозоном Хиггса », существование которого было предсказано в 1967–1968 гг. теорией слабого и электромагнитного взаимодействий. Сегодня, после пяти лет продолжающихся экспериментов и исследований, в этом нет никаких сомнений. Измеренные значения скорости образования и скоростей различных вариантов распада согласуются с этой теорией.

Сообщение от 4 июля 2012 г. о том, что в лаборатории CERN в Женеве был получен «бозон Хиггса», стало мировой новостью. На следующий день The New York Times вынесла на первую полосу заголовок «Физики нашли неуловимую частицу, которая считается ключом ко Вселенной».

Почему столько шума? Время от времени в физике элементарных частиц происходили новые открытия, которые не привлекали столько внимания. Многие считают, что эта частица является важнейшим ключом к пониманию того, как все остальные элементарные частицы приобретают свои массы. Это верно, но нужно немного пояснить.

У нас есть хорошо проверенная теория элементарных частиц и взаимодействий между ними, известная как Стандартная модель. Центральной особенностью Стандартной модели является симметрия между двумя из описываемых ею типов взаимодействий — между электромагнитным и не столь широко известным слабым ядерным взаимодействием, которое обеспечивает первый этап в цепочке реакций, дающих Солнцу его энергию. Симметрия означает, что частицы, переносящие это взаимодействие, фигурируют в уравнениях теории совершенно одинаково. Можно заменить частицу света фотон, переносящую электромагнитное взаимодействие, на некоторую комбинацию W- и Z-частиц, которые переносят слабое взаимодействие, и уравнения сохранят свою форму.

Если бы не было факторов, нарушающих эту симметрию, тогда W- и Z-частицы, как и фотон, не имели бы массы. В действительности же все другие элементарные частицы также были бы безмассовыми по причинам, в детали которых я не могу здесь вдаваться. Однако, конечно, большинство элементарных частиц имеют массу. Например, в отличие от безмассового фотона, W- и Z-частицы почти в 100 раз тяжелее атома водорода.

Уже в 1960-е гг. было известно, что симметрии могут точно соблюдаться в уравнениях теории, но при этом отсутствовать в измеряемых физических величинах, например значениях массы частиц. В 1964 г. в научных группах Роберта Браута и Франсуа Энглера , Питера Хиггса, Джеральда Гуральника, Карла Сагана и Тома Киббла были выявлены последствия такого нарушения симметрии для общего класса теорий, в которых фигурируют переносящие взаимодействие частицы, например фотоны . В 1967–1968 гг. я и ныне покойный Абдус Салам независимо друг от друга воспользовались этой математикой для формулирования специальной теории — современной единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий, которая стала частью Стандартной модели. Теория предсказала значения масс W- и Z-частиц, и эти предсказания были подтверждены в экспериментах CERN 1983–1984 гг., в которых были получены эти частицы.

Но что именно нарушает электрослабую симметрию, в результате чего элементарные частицы приобретают свои массы? Салам и я предполагали, что во всем виноваты некие скалярные поля, пронизывающие все пространство. Нечто похожее происходит в магните: несмотря на то что в уравнениях, описывающих атомы железа, нет выделенных направлений в пространстве, любое магнитное поле, создаваемое атомами, будет иметь некоторое конкретное направление. Поля Стандартной модели, нарушающие симметрию, не выделяют никаких направлений в пространстве — именно поэтому они названы скалярными. Эти поля обусловливают отличие слабого взаимодействия от электромагнитного и придают элементарным частицам массы. Как магнитное поле возникает в железе при его охлаждении и затвердевании, так и эти неисчезающие скалярные поля возникли на этапе расширения и охлаждения ранней Вселенной.

И вот тут появляется бозон Хиггса . Пояснительные модели, которые анализировались в большинстве работ по нарушению симметрии в период с 1960 по 1964 г., основывались на нарушающих симметрии скалярных полях и обычно показывали, что некоторые из этих полей должны проявлять себя в виде массивных частиц, сгустках энергии этих полей. Также мы с Саламом в 1967– 1968 гг. обнаружили, что одно из четырех скалярных полей, введенных нами для описания нарушения электрослабой симметрии, должно проявиться в виде электрически нейтральной стабильной частицы нового типа. Эта частица и есть бозон Хиггса, которая теперь, по-видимому, получена в экспериментах, что подтверждает положение Стандартной модели, описывающее, как элементарные частицы приобретают свои массы.

Кажется, нет никаких сомнений в том, что была открыта новая электрически нейтральная стабильная частица, но действительно ли это бозон Хиггса?

Все свойства бозона Хиггса, за исключением его массы, были предсказаны теорией электрослабого взаимодействия в 1967–1968 гг., а поскольку масса новой частицы теперь измерена, мы можем рассчитать вероятности различных вариантов ее распада. На текущий момент в экспериментах наблюдалось лишь малое число вариантов распада, и, хотя новая частица вроде бы распадается как бозон Хиггса, для окончательного ответа требуются дополнительные исследования. Также, если новая частица — это бозон Хиггса, она должна вести себя как мяч при выполнении броска наклбол^* в бейсболе; в отличие от всех других известных элементарных частиц, у нее не должно быть спина. И это тоже требует проверки.

Считается, что предусмотрительный физик должен высказываться с осторожностью. Но я ждал открытия бозона Хиггса с 1967 г., и мне сложно теперь подвергать сомнению, что эта частица найдена. Что в итоге? Даже если новая частица — бозон Хиггса, никто не собирается использовать ее для излечения болезней или усовершенствования технологий. Это открытие всего лишь заполняет брешь в нашем понимании законов природы, описывающих всю материю, и проливает свет на процессы, происходившие на ранней стадии Вселенной. Замечательно, что многие люди проявляют к этой области науки интерес и уважение, как к искусству, чем демонстрируют веру в нашу цивилизацию.

Конечно, не все испытывают подобные чувства, и есть люди, которым приходится задавать вопрос о том, стоит ли изучение законов природы миллиардов долларов, потраченных на строительство ускорителей частиц, таких как ускоритель в CERN. Этот вопрос неизбежно возникает снова и снова, поскольку Стандартная модель в ее современном виде, очевидно, еще не конец истории. Она не описывает гравитацию; она не объясняет, почему кварки, электроны и другие частицы имеют именно такие значения массы; и ни одна из частиц Стандартной модели не может представлять темную материю, на которую, по словам астрономов, приходится до 5/6 всей массы Вселенной. Можете не сомневаться, что физики снова будут просить свои правительства профинансировать создание установок, которые им потребуются для разрешения всех этих вопросов.

Подобного рода расходы можно обосновать даже перед лицом тех, кому нет дела до изучения законов природы. Исследование переднего края наших знаний о природе в некотором отношении напоминает войну — это раздвигает границы существующих технологий и зачастую приводит к появлению новых технологий, имеющих огромное практическое значение. Например, новая частица была получена на ускорителе в CERN в результате столкновений протонов , происходящих с частотой около сотни миллионов столкновений в секунду. Чтобы проанализировать такой огромный поток данных, генерируемый всеми этими столкновениями, требуются уникальные вычислительные мощности. Кроме того, до столкновений протоны в процессе многократного прохождения по 27-километровому туннелю ускоряются до энергий, в 3000 раз превышающих энергию, содержащуюся в их массе. Чтобы удержать частицы на их траекториях в процессе ускорения, требуются невероятно мощные сверхпроводящие магниты, охлаждаемые самым большим в мире источником жидкого гелия. Во время предыдущих проектов CERN ученые, занимающиеся физикой частиц, разработали метод обмена данными, который затем превратился в глобальную сеть интернет.

В отдаленной перспективе развитие технологий будет отражать связанную картину природы, которую мы сейчас собираем по кусочкам. В конце XIX в. английские физики изучали свойства электрических токов в сильно разреженной среде. И хотя это была чистая наука, не имевшая целью практическое применение, исследования привели к открытию электрона, без представлений о котором большая часть современных технологий не могла бы существовать. Если бы эти физики ограничивали себя работой, имеющей очевидную практическую ценность, они должны были бы изучать поведение паровых котлов.

Подробнее читайте:
Вайнберг, С. Все еще неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке / Стивен Вайнберг ; Пер. с англ. [Сергея Чернина] — М.: Альпина нон-фикшн, 2020. — 330 с.