Иэн Сэмпл - В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса
Однажды в 1960 году Питер Хиггс встретился с Шелдоном Глэшоу на летней физической школе, которая проводилась в колледже Ньюбатл-Эбби, в потрясающем здании XVI века — бывшем монастыре с парком площадью 125 акров, расположенном в окрестностях Эдинбурга. Глэшоу было 27 лет, и он уже написал статью по объединению электромагнитного и слабого взаимодействий. Глэшоу надеялся опубликовать ее в ближайшие месяцы. В один из вечеров несколько физиков засиделись допоздна, обсуждая последние работы. Среди них был и Глэшоу с увлечением рассказывавший о своей работе. Если бы Хиггс оказался там, он почти наверняка понял бы идею Глэшоу и смог бы превратить ее в стройную теорию, вроде той, что разработал Вайнберг. Однако он упустил шанс. В тот вечер Хиггс исполнял обязанности винного стюарда и не подозревал, что компания в это время попивает вино, припрятав принесенные им бутылки в нижней части старинных напольных часов.
В 1979 году Глэшоу прочитал лекцию86, привлекшую общее внимание. Давая оценку своему вкладу в физику, он задался вопросом, почему Хиггс и другие физики, работавшие над проблемой происхождения масс, не поняли, что у них в руках был важный недостающий для объединения электромагнитного и слабого взаимодействий элемент. Сам Глэшоу много раз встречался и беседовал с Хиггсом и его коллегами. “Разве я не рассказывал им о моей модели, может, они просто забыли об этом?” — спросил он аудиторию. Не важно, по какой причине, но из-за упущенной тогда возможности физикам пришлось ждать семь лет, пока Вайнберг нашел применение механизму Хиггса.
К тому моменту, когда Хиггс услышал о прорыве, сделанном Вайнбергом, он прожил в Эдинбурге только один год. Он читал новости об открытии со смешанным чувством. “Я был рад, что кто-то нашел разумное применение моей теории, но испытывал и очевидную досаду. Я не смог решить эту задачу сам, потому что пытался применить свою теорию ко всему сразу, и это было ошибкой. Я зациклился на неправильном применении. Нам с Глэшоу просто не удалось как следует пообщаться”, — говорил мне Хиггс.
Что еще более удивительно, так это то, что Глэшоу не опередил Вайнберга в решении проблемы объединения. Шесть физиков, которые работали над проблемой природы массы, публиковали свои работы в самых престижных физических журналах того времени. Они были напечатаны всего через несколько лет после выхода работы Глэшоу. Но даже если Глэшоу не видел ни одной из этих статей, он должен был бы услышать о теории Хиггса в 1966 году, ведь он присутствовал на лекции Хиггса, когда тот рассказывал о своей теории в Гарварде, на следующий день после доклада в Институте перспективных исследований в Принстоне. Глэшоу даже поговорил с Хиггсом после лекции и сказал, что ему понравилась теория. “Он не понял тогда, что она имела отношение к его работе”, — сказал Хиггс. Позже Глэшоу признался, что “совершенно забыл” свою работу по электрослабым взаимодействиям.
Упущенные возможности не ограничились этими эпизодами. Как-то раз Джерри Гуральник с Джоном Чарапом — физиком-теоретиком из колледжа Королевы Марии Лондонского университета — спасались от ливня в битом “форде”. Это происходило после выхода в 1964 году в свет статей по происхождению масс. Они с удовольствием поболтали о теории и о возможности ее использования для объединения электромагнитных и слабых взаимодействий. По каким-то причинам ни тот ни другой никогда не принимали эту идею всерьез. Идея улетучилась вместе с тучей.
В другой раз Гуральник обедал с Джоном Уордом физиком, работавшим с Абдусом Саламом в Имперском колледже. Когда Гуральник начал рассказывать о своей работе, Уорд попросил его остановиться — опытный Уорд посоветовал Гуральнику не разбрасываться так своими идеями, потому что кто-нибудь может их украсть прежде, чем тот опубликует законченную работу. “Если бы он только послушал! У нас двоих было достаточно информации, чтобы решить проблему объединения там же”, — вспоминал позже Гуральник. Некоторое время спустя он написал: “Как же мы упустили свой шанс? Все из-за нерешительности, медлительности и невезения”87.
По той или иной причине все физики, в 1964 году участвовавшие в работе над теорией возникновения массы, упустили шанс понять, какое отношение она имеет к реальному миру. Не говоря уже о личных и профессиональных разочарованиях, потерю из-за этого понесла и физика в целом. К сожалению, такое случается очень часто; ситуация, когда разные ученые знают, как сложить отдельные части большого пазла, но не могут собрать эти куски в единую картину в одном месте и в одно время, возникает нередко.
В настоящее время теории Вайнберга и Салама, опубликованные много лет назад, являются главным обоснованием Стандартной модели, описывающей поведение всех существующих в природе и известных нам сегодня частиц. Дополненная этими теориями Стандартная модель приобрела глубину. Она объясняет, как механизм Хиггса работает в природе, наделяя конкретные частицы, включая кварки И электроны, массой. До открытия Вайнберга теория Хиггса была не более чем изящной идеей, после — стала ключом в понимании природы материи.
Физики не восприняли теорию Вайнберга как истину в последней инстанции, и на это были достаточно веские основания. Ученые опасались, что его теория страдает тем же недостатком, что и квантовая электродинамика, — наличием расходимостей. Их беспокойство объяснялось тем, что в определенных обстоятельствах теория Вайнберга тоже может приводить к расходимости. В квантовой электродинамике проблему расходимостей в 1940 годах решил Ричард Фейнман, изобретя технику перенормировки. Вайнберг был уверен, что нечто похожее может быть сделано и в его теории. Вот только, к сожалению, он не знал, как это сделать.
Канал Зингель, опоясывая старинный голландский город Утрехт, словно заключает его в теплые объятия. В расположенных на его набережной трех соседних домах помещался когда-то институт теоретической физики местного университета. Для института было выбрано забавное место. Если бы в то время вошли в один из домов, вас, скорее всего встретила бы женщина, утверждающая, что она графиня, но она наверняка не была графиней. Летом цыплята из сада запрыгивали через окна в комнаты и прогуливались по письменным столам. На ланчи или выпить чашечку кофе физики спускались вниз в полуподвал, где в узком окне, выходившем на расположенную выше улицу, были видны ноги прохожих. Говорили, что в былые времена в этом здании располагался городской бордель88.
Герард ‘т Хоофт снимал квартиру в доме сразу за углом от института. Он приехал в Утрехт после окончания средней школы в 1964 году, том самом, в котором Хиггс и другие физики опубликовали свои работы о природе массы. Молодой голландец выбрал для себя профессию физика очень рано. Когда ему было 8 лет, учитель спросил, кем бы он хотел стать, когда вырастет, и мальчик ответил: “Человеком, который знает все”. Он хотел сказать — профессором, но забыл это слово. В действительности он имел в виду ученого — человека, который стремится понять основные законы природы.
Школьником ‘т Хоофт проявил редкую способность к математике, но его способы решения задач были необычны. Как правило, наиболее одаренные оказывались лучшими в классе, научившись использовать стандартные методы. Герард ‘т Хоофт шел иным путем. Он всегда предпочитал изобретать собственные методы, причем с нуля, — стратегия, известная как расчеты из первых принципов. К примеру, если бы ему нужно было научиться водить автомобиль, он принялся бы сначала его конструировать. Продвигаясь методично, шаг за шагом, ‘т Хоофт преодолевал все трудности, возникающие в его теориях.
Незадолго до этого в институт пришел новый профессор теоретической физики, Мартинус Вельтман — “Тини”. Он был наставником ‘т Хоофта в университете и руководителем его докторской диссертации. Как и у ‘т Хоофта, у Вельтмана был свои собственный взгляд на все, но он был более упрямым и обладал ярко выраженным нонконформистским характером89. Вельтман настороженно относился к любому, кто считал себя экспертом в чем-то, и всегда доверял своему внутреннему голосу больше, чем кому бы то ни было. Когда многие физики утверждали, что квантовая теория поля мертва, Вельтман вопреки советам коллег продолжал ею заниматься.
Вельтман работал над теориями типа теории Вайнберга и был полон решимости доказать, что расходимости им не страшны. Работа шла тяжело, уравнения разрастались, и вскоре в них входило уже около 50 000 членов. Когда стало ясно, что расчеты слишком громоздки, чтобы делать их вручную, Вельтман решил: лучший способ борьбы с громоздкими уравнениями — отдать их решать компьютеру. Через три месяца адской работы он написал необходимую компьютерную программу и приготовился ее запустить.
