Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса
Большинство ученых в начале 1960-х перестали заниматься квантовой теорией поля77. Почти за два десятилетия до того благодаря Фримену Дайсону и его коллегам эта область физики получила мощный импульс — теперь ее уравнения очень точно описывали процессы излучения и поглощения света (фотонов) атомами. А потом физики, занимавшиеся элементарными частицами, попытались с помощью аппарата квантовой теории поля описать другие силы и другие частицы, но им это не удалось. Глубоко разочарованные, они решили, что квантовая теория поля годится только для решения одной определенной задачи. Многие тогда забросили квантовую теорию и переключились на другие методы, которые, как они надеялись, помогут продвинуть физику элементарных частиц вперед. Результаты всех усилий вылились в теорию, названную впоследствии теорией S-матрицы78. По сути, это была некая математическая схема, с помощью которой ученые пытались объяснить поведение частиц, сравнивая их состояние до и после взаимодействия или столкновения.
Хиггс имел смутное понятие о теории S-матрицы. В его представлении ее идея заключалась в следующем: выписываются уравнения для частиц до взаимодействия или столкновения (как бы влетающих в некий черный ящик) и после (то есть вылетающих из него), а потом используется очень много сложной математики для того, чтобы понять, что же с ними произошло. Хиггс считал, что при таком приближении черного ящика79 вообще нельзя определить, что происходит с частицами. В то время как многие ученые стали активно пользоваться теорией S-матрицы, Хиггс ее отверг. Он верил, что прекрасно владеет аппаратом квантовой теории поля, и не считал свою игру проигранной. Ведь летом 1964 года именно квантовая теория поля помогла ему обнаружить ошибку в письме Уолли Гилберта и продолжить разработку своей теории возникновения массы, раскритикованной оппонентом.
Хиггс вернулся в Эдинбург в августе 1966 года в приподнятом настроении. Годовое пребывание в Чапел-Хилле оказалось весьма продуктивным и его имя теперь знали многие физики. Мало кто слышал о теории Хиггса до того, как Фримен Дайсон не проявил к ней интерес и не пригласил его прочитать лекцию в Институте перспективных исследований в Принстоне. Зато теперь его работа была известна по крайней мере нескольким самым влиятельным в мире физикам. Пошли дела и у Джоди. Вскоре после приезда в Эдинбург ей предложили ставку преподавателя фонетики в местном университете.
Если бы наш мир, и мир науки тоже, был устроен просто и разумно, дальнейший ход событий выглядел бы так: Питер Хиггс и пять других теоретиков, работавших над теорией масс, собираются вместе в какой-нибудь институтской комнате и за чашечкой кофе обдумывают, какую следующую загадку Вселенной им хотелось бы разрешить. Между тем в другом конце коридора появляются экспериментаторы и распаковывают свое оборудование. Через несколько часов они обнаруживают эфемерное поле Хиггса, ловят несколько Хиггсовых частиц и тут же объявляют, что причина появления массы обнаружена. Мизансцена: все радостно обнимают друг друга. Победа!
Однако в реальности все не так просто. Оказалось, нужно приложить огромные усилия только для того, чтобы появилась надежда проверить теорию Хиггса. Прежде всего, теория, разработанная Хиггсом и другими физиками, не говорила, каким именно частицам поле придает массу. Да и о самом бозоне Хиггса она говорила немного. Известно, что частицу легче обнаружить, если вы примерно знаете ее массу80. Ирония состоит в том, что, хотя теория Хиггса и объясняет, каким образом другие частицы получают свои массы, но о массе самой частицы Хиггса она ничего не говорит. Ученые могли отправиться на ее поиски, но они не знали, с чего начать.
А что же с полем Хиггса? Ведь физики не могут просто выйти из лаборатории и отправиться на его поиски. Оно, это поле, запрятано глубоко в вакууме и пронизывает все пространство. Особенно трудно его обнаружить потому, что оно не меняется от места к месту81. Изучение гравитационного поля — задачка попроще, поскольку в некоторых местах гравитация сильнее, в некоторых — слабее. Поднимитесь на вершину Эвереста — сила тяжести там заметно меньше, чем на уровне моря, ведь на Эвересте вы дальше от центра Земли. Теоретически ученые могут вызвать изменения в поле Хиггса, но для этого им пришлось бы нагреть Вселенную до температуры выше миллиона миллиардов (квадрильона) градусов Цельсия. Даже если эта задача была бы им по плечу, не хотелось бы, чтобы у них это получилось: изменение поля Хиггса приведет к изменению размеров атомов и сделает нашу материю нестабильной82.
В 1964 году, после опубликования первых статей о поле Хиггса, Питер приступил к обобщению уже построенной теории. Он проделал расчеты и вставил в них параметры субатомных частиц, рассчитывая, что рано или поздно одно с другим сойдется и выстроится картина, из которой станет видно, как механизм Хиггса приводит к появлению массы у одних частиц, а других оставляет без нее. Однако его постигло разочарование. Шли месяцы, а заметного продвижения все не было. Как Хиггс ни бился, цель по-прежнему оставалась далеко.
Не лучше шли дела и в Брюсселе. У Роберта Браута и Франсуа Энглера тоже никак не получалось объяснить, почему некоторые частицы в природе обладают массой, а другие — нет. Кончилось тем, что они поручили эту задачу молодой аспирантке, но и у той ничего не вышло. Итак, в Европе работа над хиггсовским механизмом была на грани провала.
А между тем Джерри Гуральник вернулся в Америку. Дела у него шли плохо. Он боялся, что вообще не сможет заниматься наукой. Сокрушительный разгром, которому Гейзенберг подверг его работу в Фельдафинге, подорвал его веру в себя и в теорию, над которой он работал вместе с Диком Хагеном и Томом Кибблом. Позже Гуральник мне говорил, что эта история повергла его в глубокую депрессию, — он чувствовал себя так, словно его жестоко избили.
Гуральнику тогда пришлось забыть о теории происхождения массы. Он получил место в Роче стерском университете штата Нью-Йорк, где работал и Дик Хаген. Спустя год его пригласил заведующий кафедрой физики высоких энергий Роберт Маршак, который дал понять Гуральнику, что если он хочет заниматься физикой, то должен бросить размышлять о нарушении симметрии. Много лет спустя, в 1983 году, Маршак публично извинился перед Гуральником. Выступая на совещании в Шелтер-Айленде, в Нью-Йорке, он сказал, что его тогдашние рекомендации, вероятно, будут стоить Гуральнику Нобелевской премии83.
Здание Роберт-Ли-Мур-Холл, входящее в комплекс Техасского университета, — не самое красивое в Остине. Если посмотреть на него со стороны кампуса, оно выглядит как огромная уродливая коробка из-под обуви с щелями-окнами и пристройкой сбоку. Изнутри кажется, что оно специально построено так, чтобы запутать людей или, по крайней мере, отбить охоту у идиотов, попавших сюда, идти дальше. Первый этаж — на самом деле четвертый, то есть, чтобы попасть на девятый, нужно подняться в лифте на пять этажей наверх. И именно на девятом этаже находится офис одного из самых уважаемых физиков в мире — Стивена Вайнберга, к которому я и направляюсь.
Стивен Вайнберг руководит отделением теоретической физики в Университете Остина. Он приезжает на работу в костюме и шляпе-панаме и прогуливается, опираясь на палку, которой пользуется с тех пор, как его колено поразил артрит. Вайнберг встречает меня в коридоре дружеской улыбкой, распахивает дверь в свой кабинет и садится перед вазочкой с фисташками. История, которую я хочу услышать, началась более сорока лет назад...
Шел 1967 год. Вайнбергу было 34 года, и он работал в Массачусетском технологическом институте в Кембридже, штат Массачусетс. Чтобы его жена смогла учиться на юридическом факультете Гарвардского университета, он решил переехать в Бостон, для чего взял отпуск в своем университете в Беркли Калифорния, где занимал пост профессора физики Вайнбергу было непросто — он с женой и маленькой дочкой только что въехал в свой второй съемный дом, девочке была нужна няня, и ко всему прочему его работа застопорилась.
Вайнберг всю осень не расставался с карандашом и бумагой, выписывая уравнения и стараясь понять, что в них можно увидеть. Он пытался с помощью механизма Хиггса объяснить некоторые тонкие различия между протонами и нейтронами — частицами атомных ядер. А когда увидел, что из его уравнений следует наличие нулевой массы у известных в ядерной физике частиц — ро-мезонов, — то понял, что пришло время отказаться от этих уравнений. Дело в том, что физики уже знали, что масса у ро-мезонов ненулевая. “Это привело меня в жуткое уныние, — рассказывал он. — Как заниматься теорией, если понимаешь, что она приводит к неправильным результатам!
Вайнберг описал это свое разочарование позже, в 1997 году, в статье для ныне несуществующего глянцевого журнала “George”, одним из основателей которого был Джон Кеннеди-младший: “Противоречия такого рода трудно разрешить, сидя за столом и делая расчеты. — вы просто будете ходить по округу. Иногда полезно оставить задачу повариться в подсознании, а в это время выйти из дома, посидеть на скамейке в парке и посмотреть, как ваша дочь играет в песочнице”84.
