Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Уже в 1960-е гг. было известно, что симметрии могут точно соблюдаться в уравнениях теории, но при этом отсутствовать в измеряемых физических величинах, например значениях массы частиц. В 1964 г. в научных группах Роберта Браута и Франсуа Энглера, Питера Хиггса, Джеральда Гуральника, Карла Сагана и Тома Киббла были выявлены последствия такого нарушения симметрии для общего класса теорий, в которых фигурируют переносящие взаимодействие частицы, например фотоны. В 1967–1968 гг. я и ныне покойный Абдус Салам независимо друг от друга воспользовались этой математикой для формулирования специальной теории — современной единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий, которая стала частью Стандартной модели. Теория предсказала значения масс W- и Z-частиц, и эти предсказания были подтверждены в экспериментах CERN 1983–1984 гг., в которых были получены эти частицы.

Но что именно нарушает электрослабую симметрию, в результате чего элементарные частицы приобретают свои массы? Салам и я предполагали, что во всем виноваты некие скалярные поля, пронизывающие все пространство. Нечто похожее происходит в магните: несмотря на то что в уравнениях, описывающих атомы железа, нет выделенных направлений в пространстве, любое магнитное поле, создаваемое атомами, будет иметь некоторое конкретное направление. Поля Стандартной модели, нарушающие симметрию, не выделяют никаких направлений в пространстве — именно поэтому они названы скалярными. Эти поля обусловливают отличие слабого взаимодействия от электромагнитного и придают элементарным частицам массы. Как магнитное поле возникает в железе при его охлаждении и затвердевании, так и эти неисчезающие скалярные поля возникли на этапе расширения и охлаждения ранней Вселенной.

И вот тут появляется бозон Хиггса. Пояснительные модели, которые анализировались в большинстве работ по нарушению симметрии в период с 1960 по 1964 г., основывались на нарушающих симметрии скалярных полях и обычно показывали, что некоторые из этих полей должны проявлять себя в виде массивных частиц, сгустках энергии этих полей. Также мы с Саламом в 1967–1968 гг. обнаружили, что одно из четырех скалярных полей, введенных нами для описания нарушения электрослабой симметрии, должно проявиться в виде электрически нейтральной стабильной частицы нового типа. Эта частица и есть бозон Хиггса, которая теперь, по-видимому, получена в экспериментах, что подтверждает положение Стандартной модели, описывающее, как элементарные частицы приобретают свои массы.

Кажется, нет никаких сомнений в том, что была открыта новая электрически нейтральная стабильная частица, но действительно ли это бозон Хиггса? Все свойства бозона Хиггса, за исключением его массы, были предсказаны теорией электрослабого взаимодействия в 1967–1968 гг., а поскольку масса новой частицы теперь измерена, мы можем рассчитать вероятности различных вариантов ее распада. На текущий момент в экспериментах наблюдалось лишь малое число вариантов распада, и, хотя новая частица вроде бы распадается как бозон Хиггса, для окончательного ответа требуются дополнительные исследования. Также, если новая частица — это бозон Хиггса, она должна вести себя как мяч при выполнении броска наклбол[89] в бейсболе; в отличие от всех других известных элементарных частиц, у нее не должно быть спина. И это тоже требует проверки.

Считается, что предусмотрительный физик должен высказываться с осторожностью. Но я ждал открытия бозона Хиггса с 1967 г., и мне сложно теперь подвергать сомнению, что эта частица найдена.

Что в итоге? Даже если новая частица — бозон Хиггса, никто не собирается использовать ее для излечения болезней или усовершенствования технологий. Это открытие всего лишь заполняет брешь в нашем понимании законов природы, описывающих всю материю, и проливает свет на процессы, происходившие на ранней стадии Вселенной. Замечательно, что многие люди проявляют к этой области науки интерес и уважение, как к искусству, чем демонстрируют веру в нашу цивилизацию.

Конечно, не все испытывают подобные чувства, и есть люди, которым приходится задавать вопрос о том, стоит ли изучение законов природы миллиардов долларов, потраченных на строительство ускорителей частиц, таких как ускоритель в CERN. Этот вопрос неизбежно возникает снова и снова, поскольку Стандартная модель в ее современном виде, очевидно, еще не конец истории. Она не описывает гравитацию; она не объясняет, почему кварки, электроны и другие частицы имеют именно такие значения массы; и ни одна из частиц Стандартной модели не может представлять темную материю, на которую, по словам астрономов, приходится до 5/6 всей массы Вселенной. Можете не сомневаться, что физики снова будут просить свои правительства профинансировать создание установок, которые им потребуются для разрешения всех этих вопросов.