Дэйв Голдберг - Вселенная в зеркале заднего вида. Был ли Бог правшой? Или скрытая симметрия, антивещество и бозон Хиггса
Когда протоны разгоняются настолько близко к скорости света, как в Большом адронном коллайдере, и врезаются друг в друга, это причиняет им большие разрушения. В итоге возникает смерч, в котором создается множество высокоэнергичных частиц, в том числе, так уж получилось, и бозон Хиггса. Зарегистрировать бозон Хиггса как таковой крайне трудно. Это ведь нейтральная частица, а следовательно, ничего не излучает. Возможно, это для вас некоторая неожиданность. Когда в газетах объявляют, что на Большом адронном коллайдере или в ходе какого-то другого эксперимента была зарегистрирована та или иная частица, это зачастую означает совсем не то, что вы думаете. В ходе эксперимента ученым не приходится класть бозон Хиггса в чашку Петри или даже наблюдать его траекторию в пузырьковой камере. Нет, бозон Хиггса регистрируют, если замечают, что два высокоэнергичных гамма-луча[104] исходят из одной точки, после чего вычисляют массу и траекторию частицы по законам сохранения импульса и энергии.
В июле 2012 года представители рабочих групп, проводивших два эксперимента — на так называемом аппарате ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) и на Компактном мюонном соленоиде (CMS) — объявили, что открыли бозон Хиггса, и это стало одним из важнейших открытий в физике частиц за последние 50 лет. Было обнаружено, что бозон Хиггса имеет массу примерно в 133 раза больше массы протона[105].
Тут мои адвокаты настаивают, чтобы я сказал вам, что новая частица, судя по всему, обладает всеми качествами бозона Хиггса, однако для того, чтобы мы могли недвусмысленно заявить, что это именно бозон Хиггса, нужно проделать большую работу. Например, мы знаем, что открытая частица обладает либо спином‑0 (и тогда это Хиггс!), либо спином‑2, и отмахнуться от этого невозможно. Мы знаем, что он обладает массой, сопоставимой с массой частиц W и Z0, и для нас это не сюрприз, учитывая, чем бозон Хиггса, в сущности, занимается. В результате, хотя мы и не полностью убеждены в этом, большинство физиков воспринимает как данность, что мы видим именно бозон Хиггса.
После этого открытия в популярной прессе начался настоящий бум. Заголовок в «New York Times» гласил: «Физики обнаружили неуловимую частицу, которую считают ключом к тайнам вселенной». Практически во всех журнальных и газетных статьях бозон Хиггса называли «частицей Бога»[106]. Авторы благоговейным тоном сообщали, что вот-вот мы достигнем конца физики и теперь наконец-то понимаем природу вещества. Притащите на тематическую вечеринку новенького «Тысячелетнего Сокола» в «родной» упаковке — получите ту же реакцию.
И хотя открытие бозона Хиггса — это и правда огромная сенсация, выяснилось, что наличие этой частицы объясняет существование на удивление небольшой доли массы, которая окружает нас в повседневной жизни.
Какую массу дает бозон Хиггса, а какую нет
Поле Хиггса придумали, чтобы объяснить, как так вышло, что у бозонов W и Z0 есть масса, а у других переносчиков нет. Объяснение состоит в том, что в самом начале существования вселенной произошло спонтанное нарушение симметрии — нарушение, которое помимо всего прочего разлучило электромагнетизм со слабым взаимодействием. Однако это не объясняет — по крайней мере непосредственно — откуда взялась масса у других частиц, а соображения симметрии подсказывают, что все фермионы должны обладать нулевой массой. Хорошо, что это не так. Если бы у электрона не было массы, было бы невозможно создать стабильные атомы и молекулы.
В первой главе мы видели, что в нашей вселенной нарушается Р-симметрия, она же пространственная четность. Физика в зеркале заднего вида выглядит совсем не так, как наша.
Как вы, вероятно, помните, повинно в этом слабое взаимодействие. Каждый раз, когда оно участвует в каком-то взаимодействии, все до единого нейтрино, которые при этом возникают, оказываются леворукими. Иначе говоря, когда они летят прямо на вас, то крутятся по часовой стрелке. Леворукость распространяется на все фермионы, участвующие в слабом взаимодействии — то есть, распространялась бы, если бы у них не было массы. А масса у них есть, поэтому эта асимметрия не идеальна. Подобная определенность спина теснейшим образом связана с остальными симметриями, с которыми мы уже знакомы, и в особенности, со скоростью света.
Обогнать безмассовую частицу невозможно, поскольку она всегда перемещается со скоростью света. Например, как бы быстро вы ни бежали, ваша масса (даже если она очень маленькая) никогда не позволит вам убежать от настигающего вас фотона — сделать так, чтобы расстояние между вами увеличивалось.
Частица-левша отличается от частицы-правши тем, в какую сторону она вращается, когда летит на вас. Если частица массивна, то я могу сделать так, чтобы приближающаяся частица выглядела как удаляющаяся, и для этого мне нужно всего-навсего изменить состояние моего собственного движения. В мгновение ока — исключительно приняв другую точку зрения — я могу превратить частицу-левшу в частицу-правшу.
Однако если слабое взаимодействие в самом деле подчиняется леворуким симметриям, с которыми мы уже знакомы, — а я напомню вам, что именно эта симметрия в конечном итоге повинна в том, что во вселенной преобладает вещество, а не антивещество, — тогда симметрия может сохраниться только в том случае, если все участвующие в ней частицы лишены массы.
У них у всех — у кварка, у электрона, у нейтрино — не должно быть массы, однако она у них есть. Массы кварков, электронов, а скорее всего, и нейтрино объясняются полем Хиггса. Какой механизм за этим стоит, мы пока понимаем смутно, однако теперь, когда установлено, что бозон Хиггса существует на самом деле, у нас есть все основания полагать, что мы на верном пути.
Однако при всем своем значении бозон Хиггса вовсе не «лежит в основе всей вселенной», как о нем то и дело говорят. А главное, он на самом деле вовсе не лежит в основе вашей собственной массы.
Вы состоите из протонов и нейтронов, а ваши протоны и нейтроны состоят из кварков. Однако, как мы давно поняли, целое куда больше суммы частей. Общая масса кварков в протоне составляет всего около 2 % массы всего протона. А все остальное — практически вся ваша масса — состоит из энергии взаимодействия между кварками. И это только атомы. Кроме того, бозон Хиггса никак не объясняет, откуда берется темное вещество, составляющее 85 % массы вселенной. И хотя стандартная модель уже доказала на деле, что ее предсказания просто чудо какие точные, в фундаментальной теории, содержащей 19 подстраиваемых численных величин, есть что-то подозрительное. Эти числа мы знаем только потому, что мы их измеряем.
Я хочу сказать, что открытие бозона Хиггса вполне может стать завершением стандартной модели, однако никакого конца физики оно не обозначает. И хотя — внимание, спойлер! — мы еще не достигли конца физики, у нас есть некоторое подозрение, что именно симметрия поможет нам пройти остаток пути.
Глава десятая. Скрытые симметрии
В которой предметы в зеркале оказываются ближе, чем кажется
У физики и у науки в целом сложилась обидная репутация, будто все это неприятные упражнения в созерцании собственного пупка, и это, пожалуй, величайшая несправедливость на свете. Нет никаких сомнений, что в этом повинны задачки про блоки и тела на наклонных плоскостях, с которыми школьники сталкиваются на уроках физики. Это все равно что бесконечно играть гаммы и на этом основании судить о красоте музыки.
Вообще-то заниматься наукой весело и интересно. Ну да, конечно, то и дело вязнешь в списках частиц и каких-то оккультного вида законах, но ни на миг нельзя забывать, что вообще-то это весело и интересно. Настоящая физика — это увлекательная игра с участием всей вселенной.
Казалось бы, считать науку игрой — это несколько ее опошлять, однако я считаю, что в игру стоит играть ради ее правил (за исключением квиддича). Понять правила — первый шаг к тому, чтобы овладеть игрой.
В мире физики правила не изложены в удобной брошюрке. Нам приходится выводить их из наблюдений и экспериментов. И когда мы наталкиваемся на ограниченность собственных познаний, нам приходится на миг отойти в сторону и провести инвентаризацию — что же мы упустили?
В самом начале книги мы познакомились с метафорой Ричарда Фейнмана, который уподобил науку игре во вселенские шахматы. Распознать все симметрии во вселенной мы сумеем только после того, как пристально пронаблюдаем великое множество партий, но главное — мы сумеем разобраться, когда эти симметрии нарушаются.
В ту же игру мы можем играть — и уже играли — с вселенскими законами. Всего лишь из трех внутренних симметрий мы тут же вывели список всех частиц и сил во вселенной. Мы можем снабдить вас полным перечнем возможных фермионов (напомню: это частицы со спином ‑½, которые составляют вещество). Мы способны предсказать все фундаментальные взаимодействия и бозоны, которые служат их переносчиками. Мы можем разобраться, какой заряд, цвет, слабый изоспин или гиперзаряд у какой частицы.
