Вселенная Хиггса

Питер Хиггс (Peter Higgs) привык ждать.

Этот лауреат Нобелевской премии по физике ждал появления в СМИ новостей о своем бозоне Хиггса (частице Бога) 48 долгих лет. И вот 4 июля прошлого года ученые из женевского ЦЕРНа (Европейский Центр ядерных исследований), работавшие на Большом адронном коллайдере, объявили, что доказали существование этой элементарной частицы, без которой наша материальная вселенная не могла бы существовать. Но ожидание для Хиггса на этом не закончилось. Ученому пришлось пережить еще один год догадок и предположений иного рода, пока 8 октября его достижение не было отмечено Нобелевской премией, которую присудили совместно ему и Франсуа Энглеру (François Englert) из брюссельского Свободного университета. Но был еще один напряженный час ожидания, когда Нобелевский комитет искал известного своим затворничеством ученого, чтобы сообщить ему о долгожданной победе. В отличие от Владимира и Эстрагона Сэмюэля Беккета (Samuel Becket), которые напрасно ждали Годо, Хиггс добился успеха.

Я смотрел по интернету, как Нобелевский комитет объяснял, что вручил эту награду за «теоретическое открытие механизма, помогающего нашему представлению о происхождении массы элементарных частиц...» Когда мой ящик входящих сообщений в Twitter переполнился, мне показалось, что за этим наблюдает весь мир физики. Весь, кроме одного человека. Питер Хиггс отправился в отпуск, дабы не попасть в бурю СМИ. Без телефона. В заранее подготовленном заявлении, которое опубликовал Эдинбургский университет, Хиггс выразил свою почтительную благодарность и добавил: «Надеюсь, что это признание фундаментальной науки поможет еще больше осознать ценность исследований вселенной».

Все слышали о его бозоне, хотя далеко не все понимают, что это такое и почему физики придают ему столь колоссальное значение. Почти всю вторую половину прошлого века Хиггс жил спокойной и размеренной жизнью, вдалеке от огней рампы. И вот буквально за несколько лет он стал знаменитостью и общественным достоянием.

Каково это — увидеть после долгих лет ожидания, что твоя теория оказалась правильной? Сомневался ли он когда-нибудь в ней, тревожился ли, что она может быть ошибочной, в то время как тысячи ученых и инженеров посвящают всю свою профессиональную деятельность поиску бозона? И какова его реакция сейчас, когда частица его имени обнаружена: облегчение или смятение от того, что его жизнь безвозвратно изменилась? Как он видит будущее физики? Эти вопросы я обсуждал с ним на протяжении четырех последних лет, когда ему пришлось пережить немало драматических дней, в течение которых его теория переместилась из сферы предположений в область практических профессиональных знаний, на века создав важнейшие последствия для науки о природе вселенной.

В 1964 году Хиггс и еще пятеро ученых (Франсуа Энглер и Роберт Браут (Robert Brout) из Бельгии, а также Том Киббл (Tom Kibble), Геральд Гуральник (Gerald Guralnik) и Карл Хаген (Carl Hagen) из Имперского колледжа) независимо от него создали теорию о характере материи и фундаментальных сил природы, что имело удивительные последствия. Эта теория исходит из того, что вселенная заполнена неким странным веществом, которое стали называть хиггсовым полем. Мы всегда были погружены в это вещество, и не знали об этом. Мысль о том, что повсюду имеется какое-то призрачное и вроде невидимое нечто, которое можно обнаружить лишь тогда, когда некие умники начнут ударять друг о друга кусочки атомов почти со скоростью света, кажется опасной сказкой о легковерной публике, которой сказали, что ее король, в действительности голый, облачен в чудесные одеяния, видимые только самым умным людям. Даже у прославленных физиков были свои сомнения.

И тем не менее, эта теория пользовалась заметным успехом. Она объясняет, почему солнце светит, но не вспыхивает ярким пламенем: те силы, что превращают его водородное топливо в гелий и высвобождают энергию, настолько ничтожны, что солнце вместо того, чтобы выдохнуться почти мгновенно, существует на протяжении миллиардов лет — достаточно долго, чтобы эволюция сотворила свое чудо, произведя на свет наделенного разумом и чувствами человека — это скопление атомов, способное познавать вселенную. Эта теория также объясняет, каким образом элементарные частицы материи, такие как электроны и кварки, могут формировать молекулы и атомы вместо того, чтобы летать вокруг со скоростью света в форме некоей космической жижи. Короче говоря: идеи Хиггса объясняют, почему образовавшаяся 13,8 миллиарда лет тому назад в результате Большого взрыва вселенная сегодня заполнена не вязким месивом, а разными телами и формами.

«Легче быть Шекспиром или Бетховеном, чем физиком-теоретиком», — так я представил Хиггса аудитории в июне 2012 года на книжном фестивале в Мелроуз. Находясь в Шотландии, я сделал предположение, что если изменить несколько слов в «Макбете» или несколько нот в увертюре «Гебриды» Мендельсона, они по-прежнему останутся замечательными произведениями искусства. А вот если изменить всего пару знаков в уравнениях Питера Хиггса, они сразу перестанут быть уравнениями и превратятся в бессмысленный набор символов.

Его теория блистательна по своей концепции, будучи созданной на основе прекрасных математических структур. Будь она симфонией или литературным произведением, ее ценность признали бы еще несколько десятков лет назад. Однако конечная значимость и ценность физической теории определяется не общественным мнением, а опытами и экспериментами.

В этом секстете теоретиков, который коллеги назвали «бандой шести», Хиггс один нашел средство для проверки этой теории непосредственно в ходе эксперимента. Он привлек внимание ученых к эфемерной частице, известной как бозон Хиггса, которая, согласно теории, должна существовать. Найдите ее, подтвердите, что она ведет себя так, как утверждает теория — и вы сделаете большой прорыв в представлениях о вселенной.

В 1964 году о такой частице не было известно. Никто, и меньше всех Хиггс, не мог предположить, что пройдет почти полвека, прежде чем этот вопрос будет решен.

Идея, приведшая к бозону Хиггса, похожа на нечто хорошо знакомое: на природу света как электромагнитных волн. Стрелка компаса указывает на северный магнитный полюс, ощущая присутствие магнитного поля Земли. Добавьте энергии магнитному или электрическому полю, скажем, в форме тепла, и оно начнет индуцировать электромагнитную волну — радиоволну или солнечный луч. В квантовой механике такие волны состоят из пучков фотонов — безмассовых частиц света. Аналогичная концепция применима и к хиггсову полю. Добавьте энергии, и появится аналог фотона — бозон Хиггса.

Хиггсово поле находится повсеместно. В отличие от света, его не выключишь. Все дело в том, что вакуум пространства никогда не бывает пустым. Согласно квантовой теории, он заполнен недолговечными частицами вещества и антивещества, которые то появляются, то исчезают. Это относится и к полю Хиггса. В качестве аналогии представьте себе пространство как бесконечно глубокое безмятежное озеро, поверхность которого настолько гладкая, что мы в повседневной жизни даже не подозреваем о его существовании. Но подайте туда энергию, и образуются волны. В реальной вселенной эта рябь, или пульсации, предвещающие появление бозона Хиггса, являются сигнальными признаками всепроникающей субстанции — хиггсова поля.

Большая разница между фотоном и бозоном Хиггса состоит в том, что частицу света создать легко, ибо она не имеет массы. Для этого достаточно батарейки от фонарика. Однако бозон Хиггса массивен и весит больше, чем атом железа. Чтобы создать этого зверя из вакуума, требуется огромная концентрация энергии — больше, чем существовало с первых моментов Большого взрыва. Эту техническую проблему невозможно было решить на протяжении как минимум 20 лет после возникновения теории бозона, но лежащие в ее основе идеи вызывали все больший интерес в научном сообществе физиков.

Когда «банда шести» сделала заявку на свою способность разобраться в существе вопроса, я спросил Хиггса, каким образом его имя стало настолько известно. Он считает, что это отчасти произошло случайно. Через три года после появления первых работ «банды шести» Хиггс познакомился с ведущим американским теоретиком Беном Ли (Ben Lee). Произошло это на конференции по физике в Рочестере, штат Нью-Йорк. До того времени на их идеи никто не обращал особого внимания, однако Ли понял их значимость. В конце конференции Ли встретился с Хиггсом на приеме, и их беседа имела гораздо большие последствия, чем они могли ожидать.

«Я стоял с тарелкой в одной руке и с бокалом вина в другой, а Бен расспрашивал меня о моих работах. Я тогда не мог даже подумать, что пять лет спустя Бен Ли станет основным докладчиком на конференции по физике высокой энергии в Чикаго», — сказал мне Хиггс, тихо смеясь. Должно быть, Ли в 1972 году вспомнил про тот разговор, но забыл о коллективном происхождении некоторых идей той теории, так как в своем выступлении он часто ссылался на массивный бозон «Хиггса» (что вообще-то справедливо, поскольку только Хиггс заострял внимание на этом конкретном моменте теории). Если говорить на современном жаргоне, то в тот момент возник тренд Хиггса.

Питера Хиггса на конференции в Чикаго не было. Впервые он узнал о ней, когда встретился в клубе Эдинбургского университета со своим коллегой Кеном Пичем (Ken Peach). Только что вернувшийся с конференции Пич заявил: «Питер! Ты знаменит!»

Ли сделал Хиггса знаменитым, однако найти бозон в то время было невозможно. Как тогда отреагировал на это Хиггс? «В то время казалось, что при моей жизни ответ на этот вопрос не будет найден. В 1980-е годы я начал понимать, что найти бозон все-таки возможно, однако относительно сроков была полная неясность».

В 1983 году американцы начали проектировать машину, известную как Сверхпроводящий суперколлайдер (ССК), которая могла найти бозон Хиггса. Это был прагматичный, но слишком амбициозный проект, предусматривавший строительство колоссального кольца магнитов в подземном тоннеле длиной 87 километров. Ученые намеревались получить бозон посредством обычных технологий и грубой силы. По словам Хиггса, у него впервые возникло впечатление, что ответ он все-таки увидит. Но всплеск оптимизма быстро угас, так как американцы в 1993 году отказались от этого замысла. Будущее физики элементарных частиц, как и поиски бозона Хиггса, оказалось под угрозой.

«Отказ от строительства ССК вызвал глубокое разочарование, потому что с его помощью можно было найти бозон. Потом появились планы создания БАК (Большой адронный коллайдер). Поскольку технологии с годами совершенствовались, я начал надеяться, что все-таки смогу стать свидетелем открытия бозона». Это было похоже на американские горки эмоций, вспоминает Хиггс. «Наверное, я был излишне оптимистичен, поскольку не имел представления о некоторых технических проблемах, с которым столкнулись создатели БАК». По сравнению с ССК БАК довольно компактен — размером он с кольцевую линию лондонского метро. Но для создания необходимых условий в этом устройстве нужны были новаторские технологии. А препятствий на пути было хоть отбавляй: технологические барьеры могли просто уничтожить проект. На проектирование и строительство Большого адронного коллайдера ушло 20 лет. В дополнение к этому ученым и инженерам со всего мира пришлось строить устройства обнаружения размером с линкор, чтобы записывать результаты и выманивать бозон Хиггса, срок жизни которого составляет менее одной миллиардной миллиардной доли секунды.

К счастью, Питеру Хиггсу беспокоиться об этом не пришлось. И вот наконец в 2008 году БАК построили. В нем начали циркулировать пучки протонов, которые сталкивались, а ученые с нетерпением ждали начала экспериментов. А потом обнаружилась неисправность одного элемента системы, которая оказалась настолько серьезной, что на ремонт ушел год с лишним. «К тому времени я начал отчаиваться», — говорит Хиггс, вспомнивший известную историю про шаг вперед и два шага назад. Но наконец все привели в порядок, и в 2010 году с коллайдера начали поступать данные.

Поиски бозона Хиггса подобны игре в кости. Если каждый раз выпадает по шесть, ты можешь быть уверен, что кубики у тебя особые — что бозон существует. Но если шестерки выпадают один раз из 36, то шанс на существование бозона Хиггса равен случайности. Открытие коробки с кубиками подобно столкновению в коллайдере двух протонов лоб в лоб, после чего надо заниматься обнаружением их остатков. Регистрация характеристик побочных продуктов — их разновидностей, количества энергии и траекторий полета частиц — аналогична определению тех чисел, которые выпали у вас на кубиках.

Корреляционная связь между частицами может показать, что они являются результатом распада недолговечного бозона — в этом случае у вас выпадут две шестерки.

Если бы все было так просто. На практике все по-другому. Шестерки выпадают чуть чаще, чем случайно, и приходится решать, важно ли это, указывает ли такой результат на существование бозона — либо это просто капризы фортуны, и никакого бозона нет. Если бросите кости несколько раз, ответ не получите; а вот после нескольких миллионов бросков у вас появится больше определенности.

К концу 2011 года появились намеки на то, что шестерки выпадают чаще уровня простой случайности. Но чтобы установить это с достаточной долей уверенности, понадобилось намного больше бросков. Осень 2012 года казалась самым ранним сроком, когда мог появиться ясный ответ — при условии, что не будет поломок, и БАК будет работать как положено. Именно об этом я узнал в Мелроуз в июне 2012 года, разговаривая с Хиггсом в период напряженного ожидания ответа.

Общую стоимость всего этого предприятия оценили примерно в 10 миллиардов евро. В представлении общественности все это делалось с целью поиска бозона Хиггса. Поэтому мой первый вопрос в Мелроуз был таким: «Питер, если завтра вы найдете ошибку в своих расчетах, вы кому-нибудь скажете о ней?» Вопрос был риторический, так как ошибок не было. Основополагающие идеи этой теории использовались наподобие кусочков Lego для построения других теорий, которые проверялись экспериментально. С наступлением 21-го века уверенность в существовании бозона усилилась. Бозон Хиггса превратился в брэнд, в ответ в кроссвордах, в анаграмму внутри ключа к разгадке: «Черт побери! Большим взрывом этого не объяснить, хотя в теории он важен». Одной из причин, почему публике это понравилось, могла стать заурядность названия — один слог, не более. Будь это бозон Гуральника или Энглера, он бы привлек к себе меньше внимания.

Через две недели после нашего мероприятия в Мелроуз я снова встретился с Хиггсом в расположенном на вершине горы сицилийском городке Эриче. Там была организована летняя школа, а мы читали лекции новому поколению физиков элементарных частиц. Имя Питера Хиггса знали все; но почти никто не был с ним знаком и никогда его не видел. В отличие от некоторых людей, которым нравится быть в центре внимания и появляться на конференциях, Хиггс большую часть второй половины прошлого века был просто именем. А сам этот человек умудрялся жить тихой и спокойной жизнью, посвящая немало времени кампании за ядерное разоружение (он отказался от участия в ней, когда активисты стали выступать против атомной энергетики). Но все начало быстро меняться, и важные события стали происходить гораздо раньше, чем он ожидал.

В ЦЕРНе планировали сделать доклад о ходе работ 4 июля. С приближением этого срока коллайдер оказался в эпицентре урагана. Но в то время как по всему миру начали распространяться слухи о том, что вот-вот будет объявлено об открытии бозона Хиггса, сам он мирно жил и работал в райском городке Эриче.

Туда на три дня приехали документалисты из Голландии, чтобы снять фильм о Хиггсе и о его бозоне. 30 июня они обедали с ним в ресторане Venus. Коллега и помощник Хиггса Алан Уокер (Alan Walker) пытался выяснить, насколько значительными могут оказаться события 4 июля, поскольку Питер намеревался вернуться в Шотландию, и планов посещения ЦЕРНа у него не было. Тем утром Уокер связался с пресс-службой ЦЕРНа и спросил: «Что нам делать?»

Обед в ресторане внезапно прервался, когда зазвонил телефон. Уокер позже вспоминал: «Я увидел код +41, это Швейцария. Поэтому я подумал, что мне перезванивают из пресс-центра. Но звонил Джон Эллис (John Ellis) (старший теоретик ЦЕРНа)». Чтобы не мешать обедающим, Алан вышел из-за стола и отошел к окну, отвечая на звонок. Вернувшись, он увидел, что съёмочная группа расставила свое оборудование, дабы «запечатлеть момент». Его попросили «вести себя естественно», и Алан сказал Питеру: «Джон Эллис звонил, он говорит, нам надо ехать в ЦЕРН». Хиггс ответил: «Раз Джон Эллис так сказал, значит, надо ехать».

Если и был момент, когда Хиггс, наконец, точно узнал, что его теория подтвердилась, то это случилось именно тогда. После 48 лет ожидания вместо ощущения триумфа его первой реакцией была паника. Предыдущие два года к его персоне и жизни проявляли все большее внимание средства массовой информации. Открытие бозона Хиггса могло иметь неожиданные последствия. «Я в некоторой степени страшился этого момента и готовил себя к нему, чтобы совладать с собой. А тут я внезапно понял, что главное событие моей жизни произошло на несколько месяцев раньше, чем я ждал», — говорит он.

Два эксперимента в ЦЕРНе были направлены на поиск бозона Хиггса, и результаты обоих объявили переполненной аудитории и миллионам зрителей, следивших за этим событием по интернету. Когда первая группа ученых объявила, что у них есть весомые доказательства существования бозона, в зале раздались продолжительные аплодисменты. Когда второй выступающий сказал, что и они обнаружили тот же феномен независимо от первой группы, придя к аналогичному заключению, аплодисменты перешли в овацию и радостные крики. Бывшие генеральные директора, собравшиеся по этому случаю, в том числе, солидные восьмидесятилетние мужчины, хлопали друг друга по плечам и радовались как маленькие дети. Мы стали свидетелями исторического момента в культуре человечества. То, что долгое время было догадкой, навсегда появилось на экранах компьютеров.

Питер говорит, что еще до объявления результатов он был вполне уверен в правильности своих мыслей и в том, что бозон будет найден. Но он не был готов к такому взрыву эмоций. «Это было так трогательно. Я расплакался. Отчасти это было из-за реакции аудитории, из-за ее эйфории. Была огромная шумиха».

Я в это время был в Англии в лаборатории Резерфорда-Эплтона, что в графстве Оксфордшир, и вместе с толпой физиков смотрел это заседание в онлайне. Хотя мы наблюдали за происходящим на экране, у нас все равно возникло ощущение исторического момента. Прошло три недели, прежде чем я смог побеседовать с Хиггсом в Мелроуз, но это время показалось вечностью. Вопросы из аудитории тогда были следующими: это исторический момент в науке, или это творение СМИ? Если это реально, что мы узнали нового, чего не знали раньше, и что будет дальше?

Ответ на первый вопрос был очевиден. Многие ученые посвятили этому делу 20 лет своей жизни. Хиггс ждал этого момента большую часть своей жизни. То, что было догадкой, нашло подтверждение в действительности. Это знания о фундаментальной природе вселенной, которые будут существовать, пока существует человечество, переходя из поколения в поколение, подобно законам Ньютона, уравнениям Архимеда и учению Пифагора. Мистическая сила математики нашла очередное подтверждение. Вновь было доказано, что написанные на листках бумаги уравнения способны дать ключ к познанию природы. Если бы крышу аудитории в тот момент поразила молния, а грозный голос выбранил дерзких людишек за проникновение туда, куда они не имеют права входить, меня бы это поразило не так сильно, как тот момент, когда я ощутил связь с бесконечностью.

Когда существование бозона Хиггса нашло свое экспериментальное подтверждение, пошли разговоры о том, кому в 2012 году достанется Нобелевская премия. Каждый год в начале осени, когда приближается вторая неделя октября, начинается исключительно избирательная эпидемия под названием Нобелия. Это психологическое напряжение в умах ученых, наблюдающих за тем, как кандидаты нобелевской гонки приближаются к финишной черте. Кто-то излечится от нее навсегда, но у него может возникнуть опасение иного рода: а достоин ли я того, чтобы стоять на одной ступеньке с Эйнштейном? У других появится временная ремиссия, а на следующий год произойдет новая вспышка.

Нобелевский комитет — из осторожности или на основе богатого опыта — заявил, что бозон открыт слишком поздно, и на награждение 2012 года он никак не повлияет. Но это не помешало средствам массовой информации устроить цирк и нагнать волну своими предположениями о том, как выбрать троих самых достойных из целого коллектива заслуженных людей. Дебаты продолжались целый год, пока не объявили нынешних лауреатов. Вопрос теперь был не в том, выиграет ли Питер Хиггс награду, и с кем он ее разделит. Нобелевскую премию могут получить максимум три человека. А как мы видели, в те безмятежные дни 1964 года, когда началась вся эта история, схожие с хиггсовскими идеи выдвигали по меньшей мере шесть человек. Поэтому многие удивились, когда 8 октября 2013 года было названо только два имени. Энглер и Хиггс были ожидаемыми кандидатами, но на заслуженное третье место прочили и Тома Киббла, и Джеффри Голдстоуна (Jeffrey Goldstone), и даже саму лабораторию ЦЕРН. Но мне кажется, Нобелевский комитет принял мудрое решение. Энглер написал свою работу вместе с американо-бельгийским физиком Робертом Браутом, который, к сожалению, в прошлом году скончался. Если бы Браут был жив, он дополнил бы это трио.

Спустя год после нашего первого памятного визита мы с Хиггсом 30 июня 2013 года снова оказались в Эриче, в том самом ресторане, куда ему позвонили из ЦЕРНа. Я спросил его, насколько сопоставима реальность и ожидания. Хотя в центре внимания Хиггс оказался еще за несколько лет до открытия, он понял, что «экспериментальное подтверждение это совсем другое дело, на порядок выше». Как он ощутил это на себе? «Ну, судя по количеству приходящей почты».

Хотя лицо Хиггса не так узнаваемо, как личность какого-нибудь телегероя, в родном Эдинбурге его все чаще останавливают на улице. Я сам заметил эту перемену, произошедшую всего за два месяца — с июня 2012 года, когда мы выступали в Мелроуз, и до августа, когда я брал у него интервью на Эдинбургском фестивале через четыре недели после открытия. В Мелроуз все были рады появлению Хиггса на сцене; аплодисменты были громкие, но стандартной продолжительности. А вот в Эдинбурге все было иначе. Когда аудитория хлопает до твоего появления, у тебя в голове как будто стучит метроном, говорящий тебе, когда аплодисменты стихнут. Но в этот раз они не стихали. Они продолжались. И продолжались. И я понял: они полюбили этого парня. Нам не надо ничего говорить. Мы можем стоять здесь час, а они будут аплодировать и будут счастливы.

Как это открытие повлияет на наши представления о вселенной и на будущее физики? По мнению общественности, Большой адронный коллайдер сделали для того, чтобы открыть бозон Хиггса. Это большой успех для физики? Хиггс говорит об этом весьма осторожно: «БАК был построен для исследования многих вещей, а не только бозона. Могла возникнуть реакция типа „ладно, теперь эту машину можно закрывать. Она дорогая, и свое дело она сделала“. Наверное, эта часть ее работы [бозон] оказалась слишком успешной в ущерб другим вещам».

В настоящее время БАК ремонтируют и обновляют. Он возобновит работу через год с небольшим, обретя больше мощности. Хиггс надеется, что когда коллайдер заработает снова, он найдет доказательства существования суперсимметрии и частиц темной материи. Это разумный и трезвый взгляд на то, что мы знаем, а также на то, чего мы не знаем, что более важно. То вещество, из которого мы состоим, и о существовании которого сейчас получаем представление благодаря открытию бозона, составляет всего 5 процентов от целого. Большая часть вселенной состоит из темной материи, которая стягивает галактики посредством гравитации, но при этом не видна. Ее частицы, образующие основную часть вселенной, еще предстоит открыть.

После того как древние греки начали размышлять о природе материи, мы с открытием бозона Хиггса оказались, наконец, в конце начала, а не в начале конца. Мы состоим из обычных обломков, плавающих на поверхности моря темной материи. Из чего она состоит, и есть ли у нее свои «темные бозоны Хиггса» — это предстоит выяснить в будущем. Теоретики подозревают, что темная материя может состоять из «суперсимметричных частиц», существование которых должен подтвердить БАК в ходе следующей серии экспериментов. Откроют ли существование суперсимметрии в ближайшие несколько лет, или мы находимся лишь в начале очередного длительного ожидания, подобного хиггсовскому, мы не знаем и знать не можем.

Фрэнк Клоуз — профессор физики элементарных частиц, работающий в Оксфордском университете. В своей последней книге «The Infinity Puzzle» (Загадка бесконечности) он целиком рассказывает историю поисков бозона Хиггса.