Теория Всего и Бозон Хиггса
Астрофизик Дэйв Голдберг в книге «Вселенная в зеркале заднего вида» упоминает известный в среде физиков анекдот, который гласит, как Энрико Ферми (лауреат Нобелевской премии за 1938 год) беседовал как-то со своим учеником Леоном Ледерманом (лауреатом Нобелевской премии за 1988 год), и Ледерман спросил Ферми о какой-то частице, на что Ферми ответил: «Ах, молодой человек, знал бы я все названия частиц, был бы ботаником!» Именно Ледерман запустил в обращение очень приставучее и при этом вызывающее совершенно ненужные ассоциации название «частица Бога» для бозона Хиггса.
Физика частиц — как промышленная революция: прогрессирует исключительно благодаря тому, что кто-то заметил, что большое и сложное состоит из мелких деталей, а те — из неделимых частей. Атомы в конечном итоге сделаны всего из трех частиц: протонов, нейтронов и электронов. Если бы вселенная и вправду состояла всего из трех частиц, это была бы фантастика, однако по какой-то причине существует множество «элементарных» частиц. У физиков длиннющий список частиц и сил, однако, на данный момент они не представляют себе, откуда они вообще взялись.
Полное собрание частиц и сил получило название «Стандартная модель». Это одна из величайших побед человеческой мысли, но стандартная модель не ограничивается перечислением частиц и их свойств. Во всем этом заложена фундаментальная структура. И частицы, и силы — все они порождены симметриями.
Мы живем в «Матрице». Все кругом только кажется вечным и вещественным, но на самом деле это не так. Частицы, даже элементарные, не постоянны. В космическом вакууме частицы и античастицы создаются из ничего и почти тут же исчезают снова. Вселенная полна полей. Поле — это Сила, которая окружает и пронизывает нас, она связывает Галактику воедино. Строго говоря, галактику воедино связывает гравитация. Гравитация — это тоже поле. Свое поле есть у каждой частицы.
Представьте себе, что поле — это батут, на котором прыгает компания детишек. С каждым прыжком по батуту расходится рябь. Если бы у физиков были соответствующие математические формулы, чтобы описать эту рябь, она дала бы всю необходимую информацию о частицах во вселенной — об их плотности, импульсе и обо всем прочем.
В последние несколько лет в прессе так и мелькает бозон Хиггса. Физическое сообщество придает ему такое значение, поскольку это последняя частица, предсказанная Стандартной моделью. Ранее точная величина бозона Хиггса была загадкой для ученых, но после его «поимки» в коллайдере выяснилось, что она приближается к показателю в 126 гигаэлектронвольт. Это значит, что неуловимый бозон в 126 раз весомее протона, что даёт основания пересмотреть многие общепринятые теории.
По одной из теорий, во время Большого взрыва именно бозон Хиггса придал остальным частицам массу. Однако говорить об этом с уверенностью ранее было нельзя, так как для таких расчетов нужно было знать с точностью до 1% массу «частицы Бога». Эта гипотетическая частица «отвечает» за наличие массы всех других элементарных частиц. Считается, что все фундаментальные частицы приобретают массу в результате взаимодействия с полем Хиггса.
Но проблема в том, что бозон Хиггса — одна из самых тяжелых частиц, а это значит, что нет никакого объяснения тому, как получаются частицы, обладающие массой меньше, чем масса бозона Хиггса. Возможно, довольно скоро физики совершат открытие новых частиц, и мы убедимся, что почти вся, а может быть, и вся масса во вселенной — не более чем иллюзия.
4 июля 2012 года физики Европейской организации ядерных исследований (CERN) официально объявили об открытии новой частицы в ходе экспериментов на Большом адронном коллайдере. Это стало одним из важнейших открытий в физике частиц за последние 50 лет. В марте 2013 года появились сообщения от отдельных исследователей CERN, что найденная ранее частица действительно является бозоном Хиггса.
После этого открытия в прессе начался настоящий бум. Заголовки гласили: «Физики обнаружили неуловимую частицу, которую считают ключом к тайнам вселенной». Практически во всех журнальных и газетных статьях бозон Хиггса называли «частицей Бога». Авторы сообщали, что вот-вот мы достигнем конца физики и теперь наконец-то понимаем природу вещества.
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. При всем своем значении бозон Хиггса вовсе не «лежит в основе всей вселенной», а главное, он на самом деле вовсе не лежит в основе нашей собственной массы. Кроме того, бозон Хиггса никак не объясняет, откуда берется темная материя, количество которой во Вселенной значительно превышает количество обычного вещества: Вселенная состоит из: 74% темной энергии, 22 % — темной материи, 3,6% — межгалактического газа и 0,4% — звёзд.
Открытие бозона Хиггса вполне может стать завершением Стандартной модели, однако никакого конца физики оно не обозначает. У физиков есть предположение, что симметрия поможет пройти остаток пути в поисках ключа к тайнам Вселенной, поскольку вся модель Вселенной построена на симметриях: изотропия (законы одинаковы по всем направлениям), однородность (одинаковы везде), инвариантность времени (одинаковы в любой момент времени), даже относительность, которая позволяет всем наблюдать одну и ту же скорость света.
Физик Гаррет Лиси, не работающий ни в каких академических учреждениях, в 2007 году выдвинул теорию, которая, по его словам, объясняет вообще всё в физике. Теория Лиcи основана на математической симметрии под названием Е8, которую сам ученый называет «Исключительно простой Теорией Всего». Само по себе ее название — шутка. На самом деле E8 — это одна из пяти особых «Исключительно простых симметрий», которые описал в конце XIX века математик Вильгельм Киллинг. Подтверждения эта теория пока не получила, и физическое сообщество отнеслось к Е8 крайне скептически, однако некоторые известные физики высказались в её поддержку.
Физики предположили, что бозон Хиггса появляется в верхних слоях земной атмосферы каждые восемь секунд. Источником этих частиц являются космические лучи — элементарные частицы и ядра атомов, движущиеся с высокими энергиями в космическом пространстве. Космическое излучение высоких энергий, сталкиваясь с атомами воздуха, расщепляет их ядра, вызывая поток мезонов, которые, в свою очередь, порождают в новых столкновениях новые частицы, пока энергия не снизится. Некоторые космические частицы имеют энергию значительно выше той, что используется в экспериментах на Большом адронном коллайдере. Этот факт привел физика Йозуа Унгера из Дреденского технического университета к выводу, что в верхних слоях атмосферы столкновения частиц могут приводить и к образованию бозонов Хиггса.
Почти 14 млрд. лет назад случилось нечто интересное. Кто-то называет это Большим взрывом, кто-то инфляцией, некоторые говорят о «столкновении миров» — соударении бран… Но это не так важно, как то, что появилось через пару наносекунд – известная нам, но неизведанная вселенная со своими законами.
Прошло много лет с тех пор, но это событие остается краеугольным камнем в науке. Все ученые пытаются выяснить, по каким законам построена вселенная, человек, материя, атомы… Это привело к возникновению многих теорий о космосе, пространстве-времени… и каждая последующая теория все больше и больше ударяется в мистику.
