Эксперт Эксперт - Эксперт № 41 (2013)
Более того, если руководствоваться этой калибровочной теорией во всех математических расчетах для частиц, обладающих высокой энергией (и прежде всего для W- и Z-бозонов), возникают совершенно несуразные результаты или, попросту говоря, получаемые ответы дают бесконечности, причем даже с учетом различных хитроумных надстроек, так называемых перенормировок.
Найти выход из этой практически тупиковой ситуации физикам удалось во многом благодаря усилиям Питера Хиггса, Франсуа Энглера и его коллеги Роберта Браута (увы, не дожившего до присуждения долгожданной Нобелевской премии), в 1964 году придумавших весьма изощренный механизм, который позволил найти «лазейку» в калибровочной теории.
Магическим образом этот механизм, названный позднее механизмом Хиггса, точнее говоря, постулированное его разработчиками наличие во Вселенной особого физического поля, также названного хиггсовским, с одной стороны, позволяет всем частицам, известным ученым к настоящему времени (причем как бозонам, так и фермионам, за исключением уже упоминавшихся фотонов и глюонов), обладать массой, но, с другой стороны, не дает им свободно перемещаться на большие расстояния.
Согласно уточненным постулатам СМ, сразу же после породившего нашу Вселенную Большого взрыва все виды физических взаимодействий, которые короткое время представляли собой единое взаимодействие, изначально обладали симметрией, и никаких частиц, обладавших массой, в ней не было. Однако по мере охлаждения Вселенной и ее постепенного расширения эта симметрия «спонтанно нарушилась» (конкретный механизм этого так называемого спонтанного нарушения исходной симметрии очень сложен, и мы не будем пытаться его здесь изложить). И основной причиной случившегося нарушения симметрии оказалось быстро распространившееся во Вселенной густое поле-конденсат, которое, что особенно важно, несло заряд слабого взаимодействия, как бы «размазывая» его по всему космическому пространству, в том числе даже в вакууме, полностью лишенном частиц. Именно этот заряд, заполнивший вакуум, эффективно «блокирует» слабые бозоны, когда они пытаются распространить взаимодействия на большие расстояния, причем схожим образом эта «блокировка» действует и на прочие частицы, которые также испытывают слабое взаимодействие.
Предложенный Хиггсом механизм одновременно удовлетворяет как исходному формальному требованию существования внутренней симметрии для слабых взаимодействий (что и являлось основной проблемой для теоретиков), так и привнесенному новой схемой требованию необходимости ее нарушения, хотя, справедливости ради, уточним, что физическая природа возникновения особого фонового (хиггсовского) поля в ранней Вселенной так и остается до сих пор не проясненной в рамках современной теории.
Безусловно, впервые разработанная Хиггсом, Энглером и Браутом новая надстройка выглядит чрезмерно изощренной и даже искусственной, однако с ее помощью физикам удалось в дальнейшем успешно решить многие теоретические проблемы — в частности, инкорпорировать ее в новую теорию электрослабого взаимодействия. Более того, постулировавшееся в ней существование специфической частицы-переносчика массообразующего взаимодействия, «того самого» бозона Хиггса, долгое время оставалось как бы на втором плане: мол, сам механизм хорошо работает, а уж экспериментальное обнаружение важнейшего участника — дело наживное.
Впрочем, по мере быстрого наращивания энергетических мощностей ускорителей задача «поимки» бозона Хиггса постепенно все же стала первоочередной для экспериментаторов. Долгожданный триумф лета 2012 года наконец поставил точку в этой долгой и запутанной истории и позволил весьма пожилым теоретикам (Питеру Хиггсу 84 года, а Франсуа Энглеру — 81), ждавшим этого события без малого полвека, получить самую ценную для ученых награду.
Наверное, шведским академикам по-хорошему все-таки следовало отметить и непосредственных виновников — многочисленных исследователей, работавших на Большом адронном коллайдере, но жесткий лимит премий (не более трех человек по каждой из научных номинаций) исключил этот самый справедливый вариант распределения призового пирога.
Как отметил в беседе с корреспондентом нашего журнала заведующий лабораторией теории элементарных частиц ИТЭФ имени Алиханова член-корреспондент РАН Михаил Высоцкий , «к моменту плановой остановки БАКа на модернизацию экспериментаторам удалось набрать весьма хорошую статистику по открытой новой частице; в частности, ими было наконец установлено, что она обладает нулевым спином, а это очередное косвенное подтверждение того, что это именно хиггсовский бозон, а не “что-то другое”. Также исследователям удалось снять проблемы по второй схеме распада “хиггса” — на два W- и два Z-бозона, по которой до этого вроде бы наблюдалась явная несостыковка с прогнозами СМ, и сейчас последняя воспроизводится все лучше и лучше».
«Впрочем, пока обнаруженные характеристики новой частицы удовлетворяют лишь самому простому, так называемому минимальному, варианту СМ и, увы, никаких признаков “новой физики”, то есть экспериментального выявления не предусмотренных в рамках этой модели явлений или частиц, не вырисовывается. В числе основных кандидатов на эту “новую физику” по-прежнему рассматриваются так называемые суперсимметричные частицы и другие типы бозонов Хиггса (которых, согласно различным моделям-расширениям СМ, может быть еще несколько) и, возможно, еще какие-то экзотические формы темной материи. Надежда, конечно, есть — прежде всего на то, что это “что-нибудь необычное” удастся обнаружить после предполагаемого удвоения энергии БАКа. Но, честно говоря, я не слишком верю в скорое “продолжение банкета” в экспериментальной сфере», — подытожил ученый.
Междисциплинарный перекресток
Нобелевская премия по химии 2013 года досталась Мартину Карплюсу, Майклу Левитту и Арье Варшелю «за разработку многоуровневых моделей комплексных химических систем». За этой лаконичной формулировкой на самом деле скрывается весьма пикантный нюанс: лауреаты нынешней химической «нобелевки» по своей исходной научной специализации являются физиками, причем, как честно признался на своей персональной страничке в Twitter один из свежеиспеченных героев, Майкл Левитт, «я вообще никогда не изучал химию, но это сейчас для меня уже не важно».
Более того, Карплюс, Левитт и Варшель получили премию за решение задач, которые формально относятся к сфере прикладного программирования или, точнее, компьютерного моделирования различных химических процессов.
Наконец, нельзя не отметить, что важнейшей сферой практического применения разработанных этой троицей пионерских компьютерных программ и моделей является вовсе не чистая химия, а прежде всего биология и медицина (создание новых видов лекарственных препаратов).
Химическая «нобелевка» досталась Мартину Карплюсу...
Фото: AP
Таким образом, данный выбор шведских академиков очевидно можно отнести к категории образцово-показательных иллюстраций текущего многодисциплинарного характера науки в XXI веке. Причем, как показывает устоявшаяся за последние годы практика присуждения Нобелевских премий в химической номинации, именно химия, уже давно потерявшая свой былой статус обособленной научной дисциплины, демонстрирует во всей полноте эту быстро растущую междисциплинарность.
Трем лауреатам удалось разработать эффективные вычислительные методики и конкретные прикладные программы, которые позволили объединить «в одном флаконе» классическую ньютоновскую физику и алгоритмы квантовой физики XX века для максимально достоверного описания реальных химических процессов. Химические модели, базирующиеся на классической физике, перевести на «компьютерный» язык достаточно легко: классические ньютоновские законы движения вполне корректно описывают поведение больших молекул и атомов при отсутствии каких-либо тесных контактов с другими молекулами и атомами. И все было бы хорошо, если бы не одно большое «но»: компьютерные симуляции, основывающиеся лишь на таких прямолинейных механических законах, не позволяют учесть упомянутую выше сложную специфику реальных химических реакций, которые настоятельно требуют включения в рассмотрение законов квантовой механики.
В свою очередь, полное переключение на использование в компьютерном моделировании законов «более продвинутой» квантовой механики чревато очень быстрым истощением имеющихся в распоряжении исследователей вычислительных мощностей, причем эта проблема, как ни прискорбно, до сих пор накладывает серьезные ограничения на работу даже самых быстрых компьютеров XXI века. Не нужно никаких дополнительных комментариев для того, чтобы оценить, насколько более жесткими эти ограничения представлялись на заре компьютерного моделирования в конце 1960-х — начале 1970-х годов, когда, собственно, и начались активные поиски возможных путей обхода этой вроде бы тупиковой ситуации.
