То, что природа оказывается столь добра, чтобы на самом деле использовать идеи, которые небольшая группа людей записала на бумаге под впечатлением от абстрактных идей симметрии и с использованием сложной математики квантовой теории поля, мне представляется и всегда будет представляться поистине замечательным. Трудно выразить словами ту смесь восторга и ужаса, которая охватывает тебя при мысли о том, что природа, возможно, и правда работает так, как ты предполагаешь, дописывая на бумаге последние знаки, чаще всего поздно ночью, один в своем кабинете. Полагаю, что это чувство напоминает описанную Платоном реакцию философов, которых впервые вытащили из пещеры на солнечный свет.
Открывая для себя, что природа на самом деле следует простым и элегантным правилам, интуитивно открытым духовными наследниками Платоновых философов из XX и XXI веков, чувствуешь одновременно потрясение и надежду. Такое развитие событий указывает на то, что готовность ученых строить интеллектуальные карточные домики, способные рассыпаться от легчайшей экспериментальной дрожи, не пропала даром. Это дает нам смелость и дальше полагать, что Вселенная на самых величественных своих масштабах познаваема, по поводу чего Эйнштейн однажды выразил свое искреннее изумление.
Выслушав официальное заявление об открытии частицы Хиггса 4 июля 2012 г., я записал:
Предположительное открытие частицы Хиггса, возможно, не выльется ни в новый тостер, ни в более быстрый автомобиль. Но оно дает нам замечательный повод восхититься способностью человеческого разума раскрывать тайны природы, а также технологией, которую мы создали, чтобы ими управлять. В том, что кажется нам пустым пространством, мало того, кажется ничем и при этом становится все интереснее и интереснее, заключены те самые элементы, что делают возможным наше с вами существование.
Это сделанное на прошлой неделе открытие изменит наш взгляд на самих себя и наше место во Вселенной. Это ведь и есть признак великой музыки, великой литературы, великой живописи… и великой науки.
Еще слишком рано судить или хотя бы полностью предвидеть, к каким изменениям в нашей картине реальности приведут открытие частицы Хиггса на БАКе или те открытия, которые, возможно, за ним последуют. Тем не менее судьба и правда покровительствуют подготовленному разуму, и теоретик, такой как я, чувствует одновременно ответственность и радость, размышляя над этими вопросами.
Может показаться, что природа на этот раз была добра к нам, возможно слишком добра. Эпическая сага, которую я здесь изложил, может еще предложить физике и физикам драматические новые вызовы – и ясно напомнить, что природа существует не для того, чтобы обеспечивать нам комфортное существование. Может быть, мы нашли то, что искали, но никто, откровенно говоря, не ожидал найти только это, и больше ничего…
Глава 22Больше вопросов, чем ответов
Глупый не любит знания, а только бы выказать свой ум.
В некотором смысле наша история могла бы на этом и закончиться, поскольку мы достигли границ наших прямых эмпирических знаний о Вселенной на ее фундаментальных масштабах. Но никто не говорит, что мы должны останавливать свое воображение, даже если его образы не всегда приятны. До июля 2012 г. специалистов по физике элементарных частиц мучили два кошмара. Первый заключался в том, что БАК ничего не найдет, совсем ничего. Ведь если бы так случилось, это наверняка был бы последний крупный ускоритель, построенный человечеством для исследования фундаментального устройства мироздания. Второй состоял в том, что БАК откроет бозон Хиггса… и точка.
Каждый раз, когда нам удается приподнять очередной слой реальности, нас манят другие, более глубокие ее слои. Поэтому каждое существенное новое продвижение в науке, как правило, приносит нам больше вопросов, чем ответов. Но оно также обычно приносит нам хотя бы контуры дальнейшего пути, направление движения, в котором можно начать поиски ответов на эти вопросы. Открытие бозона Хиггса, а с ним и подтверждение существования заполняющего пространство невидимого хиггсовского поля стало сильнейшим подтверждением смелых научных разработок XX столетия.
Однако и сегодня актуальны слова Шелдона Глэшоу: бозон Хиггса напоминает туалет. Он скрывает все некрасивые подробности, о которых мы предпочитаем не говорить. Хиггсовское поле, каким бы элегантным оно ни выглядело в теории, в рамках Стандартной модели, по существу, является ситуативным дополнением. Оно добавлено в теорию, чтобы обеспечить возможности, необходимые для точного моделирования мира нашего опыта. Но само по себе оно не нужно теории. Вселенная могла бы счастливо существовать с дальнодействующим слабым взаимодействием и безмассовыми частицами. Правда, там просто не было бы нас и задавать вопросы тоже было бы некому. Более того, точные физические свойства бозона Хиггса, как мы увидели, не определяются в рамках одной только Стандартной модели. Этот бозон мог оказаться в тридцать раз тяжелее или в сто раз легче.
Почему же тогда частица Хиггса вообще существует? И почему обладает именно такой массой, какой обладает? (Отметим, в который уже раз: когда ученые спрашивают «почему», они на самом деле имеют в виду «каким образом».) Если бы бозона Хиггса не существовало, мира, который мы видим вокруг, не существовало бы тоже, но это, конечно, не объяснение. Или все же объяснение? В конечном итоге понять физику, стоящую за бозоном Хиггса, означает понять, как мы с вами возникли. Вопросу «почему мы существуем?» на фундаментальном уровне вполне соответствует вопрос «почему существует бозон Хиггса?». А Стандартная модель не дает него ответа.
Однако кое-какие намеки все же имеются и исходят из сочетания теории и эксперимента. Вскоре после того, как в 1974 г. была надежно определена фундаментальная структура Стандартной модели, и задолго до того, как ее детали были экспериментально подтверждены на протяжении следующего десятилетия, две группы физиков в Гарварде, где тогда работали и Глэшоу, и Вайнберг, заметили кое-что интересное. Глэшоу, совместно с Говардом Джорджи, занимался тем, что у него получалось лучше всего: отыскивал закономерности среди существующих частиц и сил и искал новые возможности при помощи математической теории групп.
Напомню, что в Стандартной модели слабое и электромагнитное взаимодействия объединены при высоких энергиях, но, когда эта симметрия спонтанно нарушается конденсатом хиггсовского поля, то есть при наблюдаемых энергиях, остаются две отдельные и различные силы, причем слабое взаимодействие становится близкодействующим, а электромагнетизм остается дальнодействующим. Джорджи и Глэшоу попытались расширить эту идею на сильное взаимодействие и обнаружили, что все известные частицы и все три негравитационных взаимодействия в принципе естественным образом укладываются в единую фундаментальную структуру более крупной калибровочной симметрии. Они тогда рассуждали о том, что эта фундаментальная симметрия могла бы спонтанно нарушаться на каких-то сверхвысоких энергиях и малых расстояниях, выходящих далеко за рамки текущих экспериментов, оставляя после себя две отдельные и различные ненарушенные калибровочные симметрии, порождающие сильное и электрослабое взаимодействия. Затем, на более низких энергиях и бóльших расстояниях, нарушалась бы электрослабая симметрия, разделяя единое прежде взаимодействие на два – близкодействующее слабое и дальнодействующее электромагнитное.
Они скромно назвали свою теорию теорией Великого объединения (ТВО).
Примерно в то же время Вайнберг вместе с Джорджи и Хелен Куинн, в продолжение работ Вильчека, Гросса и Политцера, обратили внимание на нечто интересное. Если сильное взаимодействие ослабевало на малых расстояниях, то электромагнитное и слабое взаимодействия, напротив, становились сильнее.
Не нужно было быть гением, чтобы заинтересоваться тем, не сравняются ли по силе все эти три взаимодействия на каком-то достаточно малом масштабе. Проведя расчеты, они обнаружили (с той точностью, с какой в то время измерялись эти взаимодействия), что такое объединение возможно, но только на масштабах расстояний, примерно на пятнадцать порядков меньше размеров протона.
Это было хорошей новостью при условии, что в качестве объединенной теории будет выступать теория, предложенная Джорджи и Глэшоу, поскольку если все частицы, которые мы наблюдаем в природе, будут объединены в эту новую большую калибровочную группу, то должны существовать новые калибровочные бозоны, обеспечивающие переходы между кварками (из которых состоят протоны и нейтроны), электронами и нейтрино. Это означало бы, что протоны могут распадаться на другие, более легкие частицы. Как сказал Глэшоу, «бриллианты не навсегда».
Тогда уже было известно, что протоны характеризуются невероятно долгим временем жизни. Не только потому, что мы всё еще существуем спустя почти 14 миллиардов лет после Большого взрыва, но и потому, что все мы не умираем от рака еще в детстве. Если бы протоны распадались со средним временем жизни меньшим, чем, скажем, миллиард миллиардов лет, то за период детства в нашем теле распадалось бы достаточно протонов, чтобы нас убило излучение от их распадов. Не забывайте, что в квантовой механике все процессы носят вероятностный характер. Если средний протон живет миллиард миллиардов лет, то там, где имеется миллиард миллиардов протонов, будет распадаться в среднем по одному протону в год. А в наших телах протонов гораздо больше, чем миллиард миллиардов.
Однако при тех невероятно малых расстояниях и, следовательно, невероятно больших энергиях, которые предположительно соответствуют спонтанному нарушению симметрии в Великом объединении, новые калибровочные бозоны должны обладать большой массой. Это сделало бы переносимые ими взаимодействия настолько близкодействующими, что на масштабах протонов и нейтронов они были бы уже невероятно слабыми. В результате протоны в этом сценарии, хотя и могут в принципе распадаться, живут, возможно, миллион миллиардов миллиардов миллиардов лет. Никаких проблем.