Kitabı oku: «Тончайшее несовершенство, что порождает всё. Долгий путь к частице Бога и Новая физика, которая изменит мир», sayfa 3

Фермиевское взаимодействие

У истории этого бозона длинный, почти в столетие, пролог. Свое начало она берет, пожалуй, в первые годы ХХ века, в то поразительное время, когда важнейшие для развития науки события следовали одно за другим во все ускоряющемся ритме нарастающего крещендо. Именно тогда самые блистательные ученые умы всего за несколько лет полностью сменили парадигму, в которой человечество познавало мир прежде.

Специальная теория относительности, квантовая механика и общая теория относительности создали основу для новых представлений о материи и Вселенной. Перемены были настолько глубокими, что даже сегодня, век спустя, нам непросто осознать их последствия.

Исходя из этих принципов, физики, принадлежащие уже к новому поколению, делали открытие за открытием, одно удивительнее другого, и разрабатывали одну теоретическую модель за другой, чтобы объяснять результаты проведенных к тому моменту наблюдений; на основании этих моделей регулярно происходили обсуждения последующих опытов. Именно так была создана Стандартная модель фундаментальных взаимодействий.

Ее история начинается с интуитивной догадки молодого итальянского физика Энрико Ферми, озарившей его в 1933 году. К тому времени он уже стал профессором Римского университета и в этом качестве проводил занятия с группой физиков. Несмотря на весьма небольшую разницу в возрасте, они называли Ферми Папой – настолько велик уже был его авторитет. Результатам серии экспериментов этой группы суждено было сильно изменить ход развития самых разных разделов физики. Их назовут ребятами с виа Панисперна — так называлась улица, на которой располагался в Риме Институт физики, где все они работали. Вот члены этой группы – безусловно, гордость науки ХХ века: Эдоардо Амальди, Оскар Д’Агостино, Этторе Майорана, Бруно Понтекорво, Франко Разетти и Эмилио Сегрé. Результаты, которые они получали, были настолько невероятны, что очень скоро “ребят” Энрико Ферми знал весь мир.

С момента своего первого появления в Пизанском университете, куда юный Ферми пришел изучать физику, он неустанно всех поражал. А еще раньше, приехав семнадцатилетним юношей из Рима, чтобы поступить в престижную Высшую нормальную школу Пизы, он написал небольшое конкурсное сочинение, размером с хорошую диссертацию, и уже там проявилась вся оригинальность его ума. Мы, те, кому довелось учиться в Пизе, помним фронтиспис этой его первой книги – “Об отличительных особенностях звуков и их причинах”, – выставленной в помещении департамента (носящего теперь его имя). Молодой блестящий студент нередко сам поднимался на кафедру, чтобы прочитать лекцию, и вместе со своими однокурсниками Разетти и Каррара ставил эксперименты и публиковал научные статьи. В 21 год он закончил университет, а еще четыре года спустя отправился в Рим преподавать теоретическую физику.

В 1933‑м, всего 32 лет от роду, он разработал теорию до такой степени революционную, что его первая статья на эту тему, представленная в журнал Nature, была отклонена на следующем основании: “Содержит спекуляции настолько далекие от физической реальности, что они не представят для читателя никакого интереса”. Ее опубликует журнал La ricerca scientifica, который благодаря этому окажется со временем среди тех журналов, где увидели свет наиболее важные работы по физике ХХ века.

В теории Ферми рассматривается один из процессов радиоактивного распада, причины которого тогда были неизвестны: речь о бета-распаде, получившем такое название из‑за того, что он сопровождается бета-излучением, то есть потоком электронов. Ферми был первым, кто заговорил об этом явлении как о свидетельстве действия новой силы, природа которой оставалась ранее совершенно неведомой. Описывая данную силу, он оттолкнулся от гипотезы о ее близкой аналогии с электромагнетизмом. Эта простейшая гипотеза позволила определить единственную константу G, которую Ферми смог оценить с невероятной точностью. На протяжении многих лет новую силу будут называть “фермиевским взаимодействием”; это название изменится только спустя много лет, когда теория уже станет общепризнанной. Тогда ее нарекут слабым взаимодействием, что вполне естественно, если принять во внимание очень маленькое значение той самой константы G, которая характеризует интенсивность взаимодействия и которая в честь первооткрывателя именуется теперь “константой Ферми”.

В 1938 году Энрико Ферми номинировали на Нобелевскую премию за открытие трансурановых элементов и ядерных реакций, вызванных медленными нейтронами. Он совершил тогда выдающийся вклад в науку, проведя решающие исследования для понимания природы атомной энергии и управления ею. Но подход Ферми к открытию одного из четырех фундаментальных взаимодействий, как станет понятно спустя несколько лет, был бы достоин и второй Нобелевской премии. Великий физик наверняка получил бы ее, если бы не его преждевременная кончина в 1954 году. Эта глава истории была дописана.

Сегодня мы знаем, что слабое взаимодействие, сколь ни редко оно встречается в процессах, проходящих в обычной окружающей нас материи, играет фундаментальную роль во Вселенной. Без вызываемых слабым взаимодействием реакций ни Солнце, ни все остальные звезды не смогли бы производить ту энергию, которую они излучают в окружающее их пространство. И тогда Вселенная оказалась бы наполненной совершенно экзотическими формами материи, а космос приобрел бы черты, совершенно не похожие на те, которые мы знаем; но никто из нас не смог бы рассказать об этом, так как любая форма жизни, напоминающая известные нам, была бы невозможна.

Прорывная идея молодого Ферми открыла путь к объединению электромагнитного и слабого взаимодействий, и это спустя тридцать лет легло в основу Стандартной модели фундаментальных взаимодействий.

Рождение Стандартной модели

Эта история заставляет вспомнить о великих готических соборах XII века. Для создания подобных шедевров требовались гениальные архитекторы, способные их спроектировать, но также еще и тысячи каменщиков, скульпторов и камнетесов, способных воплотить в чудесные физические формы игру художественного воображения. Нечто похожее произошло и со Стандартной моделью. В ее основании находятся квантовая механика и теория относительности – две грандиозные концептуальные революции, с которых начинался ХХ век. От них произошли прочие элементы несущей инфраструктуры, такие как гениальная интуиция Энрико Ферми и работа трех других гениальных архитекторов – Шелдона Глэшоу, Стивена Вайнберга и Абдуса Салама, а уж вокруг этого закрутился непрекращающийся и систематический труд многих тысяч ученых. Стандартная модель рождалась из десятков теоретических построений, сплетенных с целой чередой впечатляющих экспериментальных открытий, которые раз за разом заставляли перерисовывать всю картину. Именно так и происходило за века до этого, когда посреди работ по возведению собора вдруг выяснялось, что какие‑то решения были слишком смелыми, что вся конструкция не способна выдерживать собственного веса или побочных напряжений и что необходимо конструктивное воплощение новых решений, которым и суждено было стать стандартом при постройке следующих храмов.

Эта теория гениальна и элегантна. Хотя в ней слишком много параметров и много констант, истинный смысл которых не очень ясен, успех ее был поразительным и определялся ее мощной предсказательной способностью. Из данной теории следовало существование новых частиц, которые успешно обнаруживались, и она позволяла с колоссальной точностью вычислять новые измеримые величины, причем физики-экспериментаторы могли убеждаться в их точном соответствии с предсказаниями – в некоторых случаях до десяти значащих цифр.

В Стандартной модели вся материя строится из трех семейств кварков и трех семейств лептонов; взаимодействуя друг с другом и объединяясь в различных сочетаниях в соответствии с вполне конкретными законами, они образуют все, что мы знаем. Дюжина элементарных частиц (три пары кварков и три пары лептонов) взаимодействуют между собой, обмениваясь другими элементарными частицами, переносчиками четырех фундаментальных сил: фотон – это частица, из которой состоит свет, и она отвечает за хорошо известный электромагнетизм, в то время как глюон, ответственный за силу между разноцветными кварками, переносит сильное ядерное взаимодействие, которое удерживает кварки связанными внутри протонов и преодолевает электромагнитное отталкивание между протонами внутри ядра. Слабое взаимодействие возникает благодаря излучению и поглощению очень тяжелых частиц W- и Z-бозонов¹⁶. И наконец, чуть в стороне находится гравитационное взаимодействие. В нем участвуют все тела, обладающие массой или энергией, и оно возникает благодаря обмену гравитонами, переносчиками силы тяжести, которые пока еще не были обнаружены экспериментально.

У переносчиков всех взаимодействий целый спин, 1 или 2. Вместе с частицами, чей спин равен 0, они образуют группу бозонов. У кварков и лептонов, кирпичиков вещества, спин полуцелый, 1/2, и они входят в группу фермионов.

Архитравом Стандартной модели служит объединение двух взаимодействий – электромагнитного и слабого, – оказывающихся, таким образом, двумя разными проявлениями одной и той же силы, называемой электрослабым взаимодействием. Исходная идея родилась из формальной аналогии, подкрепившей интуицию, которая позволила Ферми построить свою теорию слабого взаимодействия. Уравнения, описывающие эти два взаимодействия, практически идентичны, и эта формальная идентичность не могла быть случайной. Подобное чудо в XIX веке привело к слиянию электрических и магнитных явлений в рамках единой теории электромагнетизма Фарадея, Максвелла и Лоренца. И открытие электромагнетизма оказалось способно поколебать основы понимания не только природы, но и общества во всей его сложности.

Этот аргумент я часто использую, когда какой‑нибудь журналист просит меня объяснить в доступной форме, какими могли бы оказаться экономические и социальные последствия новых научных открытий, связанных с бозоном Хиггса. Я не знаю, как лучше ответить на этот вопрос, но зато уверен, что без понимания электромагнетизма мы бы до сих пор ездили в поездах, которые тянет паровоз, пользовались газовым освещением и свечами и посылали сообщения с голубиной почтой. Я не знаю, приведет ли электрослабое объединение к появлению новых технологий, но уверен, что во второй половине XIX века, когда были сформулированы законы Максвелла, никто не смог бы даже вообразить, что из‑за этих четырех уравнений мир сможет изменяться с такой скоростью и так основательно.

Дурацкая идея еще одного бывшего пизанского студента

Триумф Стандартной модели совпал по времени с появлением ЦЕРН на международной сцене физических исследований. Европейская лаборатория с момента своего создания в 1954 году прилагала усилия к тому, чтобы утвердиться в области физики высоких энергий, где традиционно господствовала американская сверхдержава. Первые признаки возвышения ЦЕРН появились в 1970‑х с открытием нейтральных токов (трудноуловимый эффект, первое свидетельство существования Z-бозона, предсказанного Стандартной моделью). А апофеозом стало открытие в 80‑х W- и Z-бозонов, переносчиков слабого взаимодействия.

В центре событий оказался Карло Руббиа, еще один бывший блестящий студент из Пизы, выпускник Нормальной школы. Прошло более сорока лет после статьи Ферми о слабом взаимодействии, но никому еще не удалось обнаружить его переносчиков, которые, в соответствии с теорией, должны были обладать исключительно большими массами. Для того чтобы справиться с проблемой, молодой Руббиа предложил ЦЕРН построить ускоритель доселе неслыханной конструкции. Его революционная идея на первый взгляд кажется дурацкой: пустить по кругу навстречу друг другу в одном и том же ускорителе пучок протонов и пучок антипротонов, которые, сталкиваясь, дадут энергию, достаточную для получения фантомных частиц. Идея предполагала радикальную перестройку самого мощного из ускорителей ЦЕРН с целью приспособления его к новому режиму работы и обеспечения решения целого ряда технических проблем. Характер у Руббиа взрывной, он способен перетянуть на свою сторону и заманить в какую‑нибудь затею даже вешалку у двери. На помощь ему пришел один из главных экспертов по ускорителям, голландский физик Симон ван дер Мер, предложивший новаторский способ уплотнения антипротонных пучков и удержания их в таком состоянии. Именно это стало решающим шагом к достижению нужной интенсивности столкновений. Потом в затею вовлеклись и поначалу менее заинтересовавшиеся ею коллеги, и в итоге в начале 80‑х новый ускоритель заработал. Все сразу пошло прекрасно: в детекторах, расположенных вокруг всей зоны столкновений, появились первые сигналы. В декабре 1983 года на семинаре в ЦЕРН Руббиа сообщил миру об открытии W- и Z-бозонов, благодаря чему они с ван дер Мером спустя год стали нобелевскими лауреатами.

Я был среди сотен слушателей, собравшихся по этому поводу в центральной аудитории. И пока Руббиа отрывистыми фразами рассказывал о горстке первых обнаруженных W- и Z-, сопровождая свое повествование сотнями слайдов, в моей голове – и я до сих пор хорошо это помню – возникло отчетливое видение. Что‑то вроде грез наяву. На протяжении нескольких секунд я смотрел на себя на той же кафедре в некий момент будущего – в этой же самой аудитории, полной тех же самых физиков, – демонстрирующего первые доказательства существования какой‑то новой частицы, открытие которой навсегда изменит наши представления о мире. Я уверен, что такое же видение посетило всех молодых физиков, собравшихся в тот день на том семинаре.

Загадка массы

Многочисленные успехи Стандартной модели не могли скрыть фундаментальной проблемы, притаившейся внутри самого архитрава всей теоретической конструкции.

Как это возможно, что два таких разных взаимодействия оказываются проявлениями одной и той же силы? Радиус действия электромагнитного взаимодействия бесконечен: фотоны, испущенные уличным фонарем, достигнут через определенное время самых отдаленных уголков Вселенной; но люди на протяжении тысячелетий не догадывались о существовании слабого взаимодействия просто потому, что оно проявляется на крошечных субъядерных расстояниях и его следы тут же, мгновение спустя, пропадают. Общий закон физики говорит, что радиус действия какой‑либо силы обратно пропорционален массе переносящей ее частицы. Вот почему радиус действия электромагнетизма бесконечен – такое возможно только в силу безмассовости фотона. Теперь вам должно стать понятно, отчего W и Z должны были оказаться столь массивными. Лишь очень тяжелые частицы могли быть переносчиками силы с таким малым радиусом действия, как у слабого взаимодействия. Но тогда как же мог фотон, лишенный массы, явиться переносчиком того же самого электрослабого взаимодействия, что и очень массивные W и Z? Что принципиально отличает W и Z от фотона? Что такое вообще масса?

На техническом жаргоне все эти вопросы сливаются в одно общее понятие – нарушение электрослабой симметрии. Смысл его в том, что, оттолкнувшись, в теории, от симметричной ситуации, в которой электромагнетизм и слабое взаимодействие – это одно и то же, нужно прийти к реальности, в которой эта симметрия “нарушена” и эти две силы различаются. Над тем, откуда берется это нарушение, задумались еще в 60‑е годы, и с тех пор предлагалось множество ответов, ни один из которых не был в полной мере удовлетворительным. Это продолжалось до тех пор, пока на сцену не выступили “ребята шестьдесят четвертого”. История повторилась: некие молодые люди внезапно выдвинули идею, настолько далекую от шаблонов, что прежде она просто никому не приходила в голову. Это были двое тридцатилетних бельгийцев и их сверстник из Великобритании.

Роберт Браут и Франсуа Англер дружили. Их сблизило прекрасное чувство юмора, а также любовь к шумным застольям, остроумным шуткам и красивым женщинам. Оба были экстравертами, их переполняли идеи, и они излучали заразительный энтузиазм. Молодые люди еще совсем недавно занимались физикой твердого тела, но затем решили сосредоточиться на одном из вопросов физики элементарных частиц. Поскольку область исследований была для них новой, прошло немало времени, прежде чем они представили свою первую работу. Они очень боялись сделать какую‑нибудь банальную ошибку и написать нечто такое, что коллеги могут счесть просто ерундой. Однако придуманное решение казалось обоим очевидным, тем более что они уже видели, как оно “работает” в типичных ситуациях физики твердого тела. И если уравнения двух видов взаимодействия тождественны, нарушение симметрии не может происходить иначе, как в среде, через которую они распространяются. То есть в пустоте. Другими словами, в вакууме, – но в вакууме, симметрия которого нарушена, потому что вакуум… это вовсе не пустота. Для того чтобы обосновать различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями, нужно допустить существование некоего “поля”, проникающего во все уголки пространства.

Поначалу идею никто не принял всерьез. Подумаешь, какие‑то неофиты, утверждающие, будто вся Вселенная пронизана чем‑то таким таинственным и незаметным, о чем никто до них не догадывался. Статью, правда, напечатали, но внимания она на себя вроде бы не обратила.

А спустя всего несколько недель тот же самый журнал получил еще одну статью. В ней приводились сходные аргументы (хотя и с совершенно иной точки зрения) и делались аналогичные выводы. Ее автором был Питер Хиггс – молодой и никому доселе не известный британский физик, незадолго до этого приглашенный в Эдинбург. Его специальностью была математическая физика, и работал он в одиночку. Очень серьезный и замкнутый, безумно влюбленный в свою жену, он редко встречался с коллегами и не любил праздное времяпрепровождение. Первый вариант его статьи не прошел, но второй – приняли к публикации. И в августе ему нехотя пришлось вернуться на пару недель к этой работе, чтобы ответить на замечания рефери, то есть тех ученых, которых редакция приглашает для анонимной оценки достоинств статьи. Уточняя один из своих аргументов, Питер пришел к уверенному заключению: да, спонтанное нарушение симметрии электрослабого взаимодействия возникает вследствие наличия поля, элементарным возбуждением которого является неизвестный массивный бозон. Статья Питера Хиггса, где упоминалась работа Браута и Англера, увидела свет через несколько недель после публикации статьи молодых бельгийцев.

Много лет спустя, в Стокгольме, когда мы праздновали получение медалей нобелевских лауреатов, Питер сказал мне: “Я часто думаю о странностях этого мира: если бы тогда, в шестьдесят четвертом, мою статью отклонили, я бы сегодня здесь не сидел”.

Предложенный механизм незатейлив и может показаться очень простым, особенно если при его описании обойтись без формул. Масса – самое банальное из свойств элементарных частиц: она подобна липкой ленте. Как мы могли не подумать об этом раньше? И самые легкие из лептонов, и массивные кварки – все, без исключения, рождаются безмассовыми. Какой будет масса у каждой из частиц, выбирает пронизывающее всю Вселенную хиггсовское поле. Чем плотнее прилипает оно к частице, тем массивней она будет.

Сложно, если вообще не невозможно, подыскать строгую аналогию для механизма, действующего без рассеяния энергии. Обычно используемые образы не слишком соответствуют особенностям механизма спонтанного нарушения симметрии. Мне нравится сравнивать его с плотной и агрессивной линией защиты во время игры в регби: защитники не обращают ни малейшего внимания на фотоны, и те легко проскальзывают у них между ног, но когда дело доходит до W или Z, шанса прорваться уже нет. Защитники вцепятся в их лодыжки и непременно повалят. Любые попытки подняться окажутся безуспешными – дальше им придется ползти, таща за собой гроздья бозонов и с трудом преодолевая бесконечно малые расстояния. Вот он, тонкий баланс, на котором зиждется равновесие нашей Вселенной: фотоны доносят до нас свет самых далеких звезд, в то время как слабые взаимодействия, благодаря которым светится Солнце, остаются скрытыми, спрятанными от наших глаз на субатомных расстояниях.

Идея была революционной. Но – не вызвала никакого заметного отклика. По словам Питера Хиггса, “поначалу обе наши статьи были абсолютно проигнорированы”. Кое-кто из авторов даже подумывал о смене профессии. Но потом дела постепенно приняли совсем другой оборот. Причин тому было две. Во-первых, объяснение, предложенное Браутом – Англером и Питером Хиггсом, выглядело простым и элегантным, а во‑вторых, у теории появился эксклюзивный спонсор. Им стал Стивен Вайнберг – один из отцов электрослабого объединения, – который принялся упоминать (причем чем дальше, тем чаще) механизм Хиггса в своих статьях. Когда, несколько лет спустя, Герарду ‘т Хофту, юному аспиранту из Нидерландов, удалось после месяцев работы доказать, что в теории нет расходимостей, – то есть что в реальных вычислениях не появляются не имеющие, с формальной точки зрения, смысла математические выражения, которые давно превратились в кошмар для физиков-теоретиков, – все сошлись на том, что и Стандартную модель, и троих ее доселе неизвестных авторов можно признать.

В 1999 году, то есть спустя много лет после защиты диссертации, Герард ‘т Хофт и его научный руководитель Мартинус Вельтман также стали нобелевскими лауреатами по физике. “Если бы в 1967 году, когда я ломал голову над поиском решения кажущейся неразрешимой задачи, мне сказали, что эта работа принесет мне Нобелевскую премию, я бы просто рассмеялся!” – признался мне позднее Герард. Эту фразу я часто повторяю своим аспирантам, когда мне кажется, что они недостаточно сосредоточены на своих диссертациях. Каждая из них может оказаться самой важной работой в их жизни.