Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса
Каждый раз, когда вы поднимаетесь с постели, вы становитесь свидетелем некоторого нарушения симметрии. Гравитационное поле Земли ломает симметрию направлений в нашем мире. Гравитация определяет, какое направление является направлением вниз, и, как только это установлено, определяются соответственно направления вверх, влево и вправо. Нет гравитационного поля — нет низа и верха.
Отклонения от симметрии иногда могут быть более информативными, чем сама симметрия. Посмотрите в зеркало. Если вы миловидны, а я предполагаю, что это так, то вы увидите, насколько симметрично ваше лицо. Ваши глаза находятся примерно на одном уровне, то же самое с ушами, и выступают они с каждой стороны лица одинаково. Ваш нос и рот лежат на линии, которая проходит точно между глаз к центру подбородка. Про волосы говорить не будем — неизвестно, какую прическу вы в этот момент соорудили.
Многие ученые полагают, что симметричное лицо красиво, потому что считают симметрию признаком здорового развития сточки зрения генетики Теория собрала много доказательств, подтверждающих это. Биологические сбои, тормозящие экспрессию, проявление определенных генов, могут приводить к медицинским аномалиям, которые и выдает лицевая асимметрия. Некоторые отличительные признаки асимметрии лица указывают на генетический сбой, называемый синдромом “хрупкой Х-хромосомы”, — наиболее распространенное сегодня наследственное психическое нарушение. В биологии, так же как и в физике, симметрия, или ее отсутствие, позволяет нам глубже понять процессы, скрытые от глаз.
Намбу предположил, что в основе приобретения частицей массы лежит спонтанное нарушение симметрии. Вы можете увидеть его в действии, если поставите ручку вертикально и отпустите ее. Ручка упадет в то или иное положение. Она перейдет из стоячего симметричного положения в лежачее — несимметричное. Потеря симметрии неизбежна — ручка находится под действием гравитационного поля Земли и потому падает. Намбу в своей работе предположил, что Вселенная была создана в симметричном состоянии, в котором все частицы были безмассовыми. Потом, благодаря включению нового вида поля, симметрия нарушилась, и некоторые частицы вдруг обнаружили, что получили массу.
Идея Намбу казалась убедительной, но обладала недостатком, который осознавал и он сам. Британский физик Джеффри Голдстоун отметил, что вид нарушения симметрии (спонтанное нарушение симметрии), предложенный Намбу, пришел с обязательным гарниром — безмассовыми частицами (бозонами Намбу-Голдстоуна)70. Это означало, что они должны были появляться в процессе нарушении симметрии. Если эти неизвестные частицы существовали, они легко возникали бы в природе и вылетали из Солнца и других звезд. Мы бы видели их везде. Тот неоспоримый факт, что мы их не видим, заставил ученых предположить, что теория Намбу неправильна.
Хиггс был не единственным, кто понял глубинный смысл работы Намбу. В Корнеллском университете в штате Нью-Йорк два физика — Роберт Браут и Франсуа Энглер — были уверены, что работа Намбу невероятно важна для физики элементарных частиц. Ученые познакомились несколькими годами ранее, когда Брауту, который уже был в Корнелле, понадобился помощник. Браут спросил своего друга Пьера Эйгрейна, известного европейского физика, есть ли у того кто-нибудь на примете. И уже вскоре Энглер, инженер, переквалифицировавшийся в физика и работавший с Эйгрейном в Свободном университете Брюсселя, покупал билеты на самолет, отправлявшийся в Америку.
Энглера переезд беспокоил. Он не встречал Браута раньше и вообще не знал никого в Америке. Но волновался он зря. Выйдя из таможни в Нью-Йорке, он увидел встречавшего его Браута. Американец предложил выпить, и они направились в бар Итаки, города, в котором располагается Корнеллский университет. Один глоток, другой — и вот уже ученые перешли от физики к разговорам о жизни. Со временем Браут и Энглер стали близкими друзьями. Часто один радостно заканчивал фразу, начатую другим а тот с удовольствием передразнивал неуклюжие попытки приятеля говорить на его родном языке
Вскоре после опубликования статьи Намбу Энглер заскучал в тихой Итаке по бурной брюссельской жизни. В 1962 году он вернулся в Бельгию. А спустя некоторое время Браут последовал за ним — оба друга получили академические позиции в брюссельском Свободном университете. Там они проштудировали работы Намбу более подробно.
А между тем в американском Кембридже, штат Массачусетс, третья группа физиков подбиралась к проблемам, над которыми уже работали Хиггс, Браут и Энглер. Никто из них не знал, что делают другие, и даже не подозревал, что участвует в соревновании за величайший приз в современной физике.
Еще будучи студентами, Джерри Гуральник и Дик Хаген были неразлучны. Гуральник учился в Гарварде, а Хаген — в Массачусетском технологическом институте (MIT), но лекции, которые они слушали, были общими. Оба благоговели перед своим профессором — Джулиусом Швингером, гарвардским физиком, чьи его работы 1940 года внесли большой вклад в формирование квантовой электродинамики. Приходя на лекцию, Швингер начинал писать уравнения в левом верхнем углу доски и продолжал до тех пор, пока не доходил до правого нижнего угла, после чего останавливался и спокойно покидал аудиторию. Понять его лекции было чрезвычайно трудно, но при определенном интеллектуальном усилии в них можно было разглядеть проявление человеческого гения.
В 1964 году Гуральник переехал в Лондон получив стипендию в Имперском колледже, где руководителем группы физиков-теоретиков, ведущих специалистов в области нарушения симметрии был блестящий шестидесятилетний пакистанский физик Абдус Салам. Гуральник и его жена Сьюзен сняли скромную квартиру в Хэмпстеде на севере Лондона Пока Сьюзен проходила аспирантуру по истории Гуральник знакомился с новыми коллегами. Одного из них звали Том Киббл. Это был высокий парень с ангельским лицом и глубочайшим интеллектом. Киббл показал Гуральнику “прелести” столовского обслуживания в Имперском колледже, пригласив его на ланчи из мерзких крутых яиц и десертов, пропитанных чем-то вроде заварного крема.
Гуральник и Киббл, работая вместе, развивали идею о том, что масса частиц может быть результатом нарушения симметрии. Гуральник, уверенный, что работа пошла бы быстрее, если бы в их команде был Хаген, пригласил его в Лондон. Хаген откликнулся на приглашение и поселился у Гуральников, так что в их хэмпстедской квартирке в самом сердце Англии образовался американский дружеский кружок.
Университетская жизнь в Лондоне не сильно отличалась от университетской жизни в Америке, но Гуральник и Хаген были совсем не готовы к общению с миром за пределами их башни из слоновой кости. Атмосфера в Имперском более формальной, чем та, к которой Гуральник привык, так что ему пришлосьотправиться на метро в центр Лондона и приобрести себе новый костюм. Портному Гуральник объяснил, что он хочет, так, как сделал бы это в Америке: “Мне нужен жилет и две пары твидовых штанов”. Эта просьба заставила портного удивленно поднять брови. Лишь потом Гуральник понял, что в Англии его слова означали, что он просит сшить твидовые подштанники.
В хэмпстедской квартире не было отопления, а в Лондоне тот год начался с отчаянных холодов. Чтобы как-то прогреть верхние комнаты, Гуральник купил электрический нагреватель с открытой спиралью и включил его на полную мощность. Однажды Гуральник услышал визг из гостиной. Вбежав туда, он увидел, что Хаген прыгает, держа в руках дымящиеся брюки. Оказалось, Хаген пришел домой промерзший до мозга костей и, чтобы согреться, встал прямо у нагревателя. В тот момент Гуральник понял, почему в метро у многих девушек в мини-юбках красные полосы на ногах. Видно, замерзнув, они, дабы согреться, подходили слишком близко к нагревателям.
Существует такая, правда ныне умирающая, традиция — публиковать возражения на результаты статей на страницах тех же научных журналов, в которых эти статьи опубликованы. Когда ученый публиковал работу, с которой его коллеги были не согласны, они посылали в редакцию письма с критикой и просьбой их напечатать. В свою очередь автор оригинальной статьи получал право на ответ. Это цивилизованный, но не особенно быстрый способ обсуждения научной работы. Весной 1964 года одна из таких дискуссий развернулась на страницах американского журнала “Physical Review Letters”. Годом ранее Филипп Андерсон, физик из “Bell Laboratories”, штат Нью-Джерси, заметил, что проблема безмассовых частиц, которая казалось, потопила теорию Намбу, возможно, вовсе и не проблема. Андерсон, удостоенный Нобелевской премии в 1977 году за работы по электронной структуре магнитных и неупорядоченных систем, проводил аналогию со сверхпроводниками, где безмассовые частицы — фотоны — сразу же становятся тяжелыми в результате взаимодействия. Он полагал, что идея Намбу была правильная, зато построенная на ней теория — ошибочна. Дискуссия началась, когда Бен Ли и Авраам Клейн, физики из Пенсильвании, опубликовали некоторые свои идеи в журнале — они думали, что смогут исправить теорию Намбу. За этой статьей быстро последовало письмо от другого физика, Уолли Гилберта из Гарварда, который забраковал их идеи71. Читая письмо Гилберта, Хиггс расстроился — он понял, что его собственная работа тоже неправильна.
