Бозон Хиггса. От научной идеи до открытия «частицы Бога»

Есть разные виды радиоактивности. Один из них, который Резерфорд назвал бета-радиоактивностью в 1899 году, представляет собой преобразование нейтрона в ядре в протон, что сопровождается излучением высокоскоростного электрона (бета-частицы). Это естественная алхимия: изменение количества протонов в ядре неизбежно меняет его химические свойства[8 - Это не является дешевым способом трансформировать неблагородные металлы в золото, так что мировым запасам золота ничто не угрожает.].

Бета-радиоактивность подразумевает, что нейтрон – нестабильная составная частица и потому совсем не является «фундаментальной». Кроме того, возник вопрос и относительно баланса энергии в этом процессе. Энергией излучаемого электрона нельзя было объяснить всю теоретическую энергию, высвобождаемую превращением протона внутри ядра. В 1930 году Паули решил, что у него нет иного выбора, кроме как предположить, что энергия, которой «не хватает» в реакции, уходит с еще ненаблюдавшейся электрически нейтральной частицей с небольшой массой, которую в конечном итоге назвали нейтрино («нейтрончик»). В то время считалось, что обнаружить такую частицу невозможно, однако впервые она была открыта в 1956 году.

Пора было подвести итог. Одно было ясно. Материя удерживается воедино благодаря силе. Помимо силы притяжения, действующей универсально на все материальные тела, наука пришла к выводу, что есть еще три рода сил, называемых взаимодействиями, которые действуют непосредственно внутри атома.

Рис. 4

Схема взаимодействия двух электронов, как его описывает квантовая электродинамика. Электромагнитная сила отталкивания между двумя отрицательно заряженными электронами подразумевает обмен виртуальным фотоном в точке наибольшего приближения. Фотон назван виртуальным, так как его нельзя наблюдать во время взаимодействия

Взаимодействия между электрически заряженными частицами происходят благодаря электромагнетизму, хорошо известному из трудов физиков-первооткрывателей XIX века, которые, помимо многих других выдающихся достижений, заложили основы электроэнергетики. Полностью релятивистская квантовая теория электромагнитного поля, которая называется квантовой электродинамикой (КЭД), была разработана в 1948 году американскими физиками Ричардом Фейнманом и Джулианом Швингером и японским физиком Синъитиро Томонагой. В КЭД силы притяжения и отталкивания между электрически заряженными частицами переносят так называемые частицы – переносчики взаимодействий.

Например, когда два электрона сближаются друг с другом, они обмениваются частицей, которая заставляет их отталкиваться (см. рис. 4). Переносчики взаимодействия электромагнитного поля – это фотоны, квантовые частицы, из которых состоит всем известный свет. КЭД быстро добилась признания как теория, позволяющая делать беспрецедентно точные предсказания.

Осталось разобраться еще с двумя взаимодействиями. Электромагнетизм не мог объяснить, каким образом протоны и нейтроны связаны внутри атомного ядра, а также как происходит бета-распад. Эти процессы происходят в настолько разных энергетических масштабах, что никакое взаимодействие не способно учесть сразу оба. Ученые признали, что для этого требуются два разных взаимодействия – сильное ядерное, отвечающее за связь между составными частями атомного ядра, и слабое ядерное, управляющее некоторыми ядерными превращениями.

Так мы подходим к периоду в истории физики, о котором и пойдет речь в этой книге. Последующие 60 лет теоретической и экспериментальной физики элементарных частиц привели нас к созданию Стандартной модели – собранию фундаментальных квантовых теорий поля, которые описывают всю материю и все взаимодействия между материальными частицами, за исключением гравитации. Проще всего понять, что такое Стандартная модель и что она значит для понимания материального мира, можно, совершив краткий экскурс в ее историю.

Наше путешествие начинается в 1915 году в Геттингене, тихом университетском городке в Германии.

Часть первая

Изобретение

1

Поэзия логических идей

Глава, в которой немецкий математик Эмми Нетер открывает связи между законами сохранения и глубинной симметрией природы

Пожалуй, мы можем согласиться, что одна из целей науки состоит в том, чтобы объяснить, из чего состоит мир и почему он таков, каков есть. Для этого она стремится пролить свет на базовые элементы материи и управляющие ею законы природы.

Если мы согласимся с этим, тогда придется признать, что не все «законы» одинаковы. В XVII веке Иоганн Кеплер долго корпел над астрономическими данными, которые добросовестно собрал Тихо Браге, и в конце концов вывел три закона, управляющие движением планет вокруг Солнца. Эти законы очень убедительны, но они не дают более глубокого объяснения, не сообщают причины, почему планеты обращаются вокруг Солнца именно таким образом. Это объяснил закон всемирного тяготения Исаака Ньютона. Закон всемирного тяготения простоял непоколебимо еще 200 лет, прежде чем в конечном итоге его не сменило взаимодействие материи и искривленного пространства-времени в общей теории относительности Эйнштейна.

Итак, что же это за фундаментальные законы? Пожалуй, на этот вопрос ответить не так уж трудно. Большая часть наших знаний о природе окружающего мира основана на нескольких обманчиво простых законах сохранения. Древние греки считали, что вещество не уничтожается. Они были почти правы. Позднее Эйнштейн показал, что вещество можно преобразовать в энергию, а из энергии может родиться вещество.

Вещество (в форме материальной субстанции) не сохраняется, зато сохраняется энергия массы. Как бы мы ни старались, мы не можем ни создать, ни уничтожить энергию. Мы можем только превратить ее из одного вида в другой. Во всех физических взаимодействиях всех мыслимых форм энергия сохраняется.

Также сохраняется и импульс, то есть масса объекта, умноженная на его скорость движения по прямой. На первый взгляд кажется, что это противоречит опыту. На популярном аттракционе тележка с любителями острых ощущений мчится горизонтально по рельсам на высокой скорости[9 - Я катался на таком аттракционе, когда в начале 1980-х работал старшим научным сотрудником в Калифорнии. По-моему, он назывался «Прилив».]. Рельсы закручиваются в мертвую петлю. Тележка с пассажирами взбирается по крутому склону, теряя скорость, прежде чем замедлиться и остановиться. Гравитация тянет ее назад и вниз по рельсам. Тележка набирает скорость и делает мертвую петлю задом наперед, после чего окончательно останавливается. То есть кажется довольно очевидным, что импульс не сохраняется в процессе того, как тележка поднимается по рельсам и останавливается.

Однако не все так очевидно. Когда тележка теряет скорость, остальной мир под ней, с которым она невидимо связана, набирает скорость, таким образом импульс сохраняется.

Также сохраняется и момент импульса, момент вращения тел, который рассчитывается как импульс, умноженный на расстояние до центра вращения. Фигуристка входит во вращение, вытянув в стороны руки и одну ногу.

Когда она прижимает руки и ноги к центру массы, она уменьшает расстояние до центра вращения и вращается быстрее. Это сохранение момента импульса в действии.

Как показывает пример с импульсом, законы сохранения не самоочевидны. Их пытались сформулировать в течение многих веков, но для этого нужно сначала четко представлять себе, о сохранении какой именно величины идет речь. А концепция энергии была как следует сформулирована и понята лишь в XIX веке.

Законы сохранения в их современном виде представляют собой итог многолетних проб и ошибок, экспериментов и теоретических построений. Это фундаментальные законы, но в каком-то смысле и эмпирические – они выводятся из наблюдений и экспериментов, а не из некой глубокой, основополагающей теоретической модели мира. А может быть, есть какой-то более фундаментальный принцип, из которого могло бы автоматически следовать сохранение энергии и импульса?

В 1915 году немецкий математик Амалия Эмми Нетер именно так и подумала.

Нетер родилась в баварском городе Эрлангене в марте 1882 года. Ее отец Макс Нетер преподавал математику в Эрлангенском университете, и в 1900 году Эмми поступила в университет, став одной из двух его студенток женского пола. Как во всех тогдашних учебных заведениях Германии, в университете не поощрялось обучение женщин, и Эмми перед началом занятий приходилось получать разрешение на допуск у преподавателей.

Окончив университет в Эрлангене летом 1903 года, она провела зиму в Геттингенском университете. Там она посещала лекции ведущих математиков Германии, в том числе Давида Гильберта и Феликса Клейна. Потом она вернулась в Эрланген, чтобы работать над диссертацией, и в 1908 году стала бесплатным лектором в университете.

Нетер заинтересовала работа Гильберта, и она опубликовала несколько статей, расширив некоторые его методы абстрактной алгебры. Статьи произвели впечатление на Гильберта и Клейна, и в начале 1915 года ученые предложили принять ее на работу на кафедру в Геттингенском университете.

Однако они встретили упорное сопротивление.

«Что будут думать наши солдаты, когда вернутся в университет и увидят, что им придется слушать поучения женщины?» – спрашивали университетские консерваторы.

«Не понимаю, как пол кандидата может быть доводом против ее принятия в качестве приват-доцента[10 - Приват-доцент – лицо, получившее право читать лекции в университете и готовящееся к званию профессора, примерно соответствует доценту в современной России. (Примеч. пер.)], – возразил Гильберт. – В конце концов, мы в университете, а не в бане»[11 - Dick A. Emmy Noether 1882–1935. Boston: Birkh?user, 1981. P. 32.].

Гильберт настоял на своем, и в апреле 1915 года Нетер переехала в Геттинген.

Вскоре после приезда Нетер сформулировала теорему, которая впоследствии стала одной из самых знаменитых в физике.

Нетер пришла к выводу, что принципы сохранения физических количеств, таких как энергия и импульс, можно проследить до законов, описывающих их в отношении к действию некоторых непрерывных преобразований симметрии. Законы сохранения – это проявления глубинной симметрии природы.

Обычно мы представляем себе симметрию как зеркальное отражение: схожесть между левой и правой стороной, верхней и нижней, передней и задней. Мы называем что-то симметричным, если оно выглядит точно так же по другую сторону от некоего центра, или оси симметрии. В данном случае преобразование симметрии – это акт отражения объекта как бы в зеркале. Если объект неизменен (инвариантен) после такого действия, мы говорим, что он симметричен.

Рис. 5

Обычно мы представляем себе симметрию как зеркальное отражение и называем что-то симметричным, если оно выглядит одинаковым по обе стороны от некоего центра, или оси симметрии. Элизабет Херли наглядно показывает связь между симметрией лица и классическим представлением о красоте. Источник: © Peter Steffen/dpa/Corbis

Например, симметрия лица, по-видимому, очень глубоко вплетена в наше восприятие красоты и привлекательности человека и на подсознательном уровне служит индикатором хорошей генетики. У тех, кто считается красивым, чаще бывает более симметричное лицо, а люди, вообще говоря, склонны спариваться с теми, кого считают красивыми (см. рис. 5)[12 - Есть данные, которые позволяют предположить, что женское тело становится более симметричным за 24 часа до овуляции. См.: Bates B., Cleese J. The Human Face. London: BBC Books, 2001. P. 149.].

Такие примеры преобразования симметрии называются дискретными. Для них требуется мгновенно «переключиться» с одной стороны на другую, с левой на правую. В теореме Нетер рассмотрены самые разные виды преобразования симметрии. Они включают длительные, постепенные изменения, например непрерывное вращение по кругу. Совершенно очевидно, что, если повернуть круг на бесконечно малый угол, измеренный из центра, он будет выглядеть неизменившимся. Круг симметричен относительно непрерывного вращения. Квадрат в этом же смысле не симметричен. Однако он вполне симметричен относительно дискретного вращения на 90° (рис. 6).

Рис. 6

Непрерывное преобразование симметрии означает небольшое постепенное изменение непрерывной переменной, например расстояния или угла. (a) Когда мы поворачиваем круг на небольшой угол (?), он представляется неизменным (инвариантным), и мы говорим, что он симметричен относительно подобных преобразований.

(b) Квадрат, напротив, несимметричен в этом смысле. Квадрат симметричен относительно дискретного вращения на 90°

Теорема Нетер соединяет каждый закон сохранения с непрерывным преобразованием симметрии. Она обнаружила, что управляющие энергией законы инвариантны относительно непрерывных изменений, или трансляций во времени. Иными словами, математические отношения, описывающие динамику энергии в физической системе в какой-то момент времени t, будут точно такими же и через бесконечно малый промежуток времени.

Значит, эти законы не меняются со временем, а это есть именно то, что требуется отношениям между физическими свойствами, которые мы хотим поднять на уровень фундаментальных законов. Эти законы одинаковы для вчерашнего, сегодняшнего и завтрашнего дня, что в высшей степени обнадеживает. Если описывающие энергию законы не меняются со временем, тогда энергия должна сохраняться.

Применительно к импульсу Нетер показала, что законы инвариантны к непрерывным трансляциям пространства. Законы, управляющие сохранением импульса, не зависят от положения в пространстве. Они одинаковы здесь, там и везде. Для момента импульса законы инвариантны относительно преобразований вращения, как в вышеописанном примере с кругом. Они одинаковы безотносительно угла направления, измеренного от центра вращения.

Работая над теоремой, Нетер рассуждала примерно так. В физике есть определенные количества, которые, как следует из внимательных наблюдений и экспериментов, сохраняются. Сильно постаравшись, физики вывели законы, управляющие этими количествами. Как оказалось, законы инвариантны определенным непрерывным преобразованиям симметрии. Такая инвариантность означает, что эти количества должны сохраняться.

Эти рассуждения можно перевернуть и наоборот. Предположим, есть физическое количество, которое, как нам кажется, сохраняется, но для которого еще не объяснены законы, управляющие его поведением. Если физическое количество действительно сохраняется, то законы – каковы бы они ни были – должны быть инвариантны некоему непрерывному преобразованию симметрии. Если получится открыть, что это за симметрия, мы уже будем на полпути к открытию законов.

Перевернув рассуждения Нетер, мы избавляемся от необходимости долго гадать и тыкать пальцем в небо. Физики получили подход к формулированию законов, который позволял исключить целые виды возможных математических структур. Тот, кто найдет симметрию, связанную с неким физическим количеством, найдет короткий путь к ответу.

Одно такое физическое количество, которое, казалось, строго сохранялось, но не описывалось еще соответствующим законом сохранения, действительно существовало. Это был электрический заряд.