Путешествия во время пандемии

Частица Бога

Есть ли бозон Хиггса, нет ли бозона Хигсса — это не тот вопрос, который нас мучает, когда мы вкусно кушаем, ласкаем женщин, смотрим ТВ и ругаем врагов народа.

Не так ли?

В школе я увлекался астрономией и считал, что это самая главная наука. Ведь Земля такая маленькая, хочется узнать, а что там, далеко, где сияют другие звезды. «Фигня все это! — сказал мой приятель Юрка. — Вот выбросим твою астрономию и ничего с нами не случится!»

В общем, он был прав. Проживем мы без астрономии и без бозонов с мюонами. Тем более, ни один физик не сможет сказать, зачем нужны эти мюоны. На земле нам прекрасно хватает других частиц, чтобы жить и радоваться.

Беспокоить наши умы начали древние греки. У некоторых их них появилось свободное время, и они начали задавать ненужные для жизни вопросы: из чего все сделано, куда мы идем, что нами управляет. 25 веков назад Эмпетокл сказал, что все состоит из четырех стихий: воды, воздуха, огня и земли. А сил, управляющих всей жизнью на земле, всего две — любовь и ненависть. Любовью к состоянию покоя Аристотель объяснил ускорение тел при падении на землю.

Прекрасная теория! Все стало на места, но неугомонные Левкипп с Демокритом придумали неделимые атомы. И стали мы состоять не из земли и воды, а из этих атомов. Хуже мы от этого не стали, но лучше тоже. А почему атомы неделимые? Так ведь если делит и делить, то получим ничто, а мы есть нечто!

Ну, хорошо! Так мы, состоящие из неделимых атомов, жили, воевали, любили, пока Резерфорд не сказал, что эти атомы вовсе даже делимые. Есть там ядра, вокруг которых вращаются электроны. Здорово, сказали мы и продолжили жить дальше.

А дальше была атомная бомба и атомная станция, после которых физиков зауважали и возненавидели. И стали физикам давать большие деньги в надежде, что они еще что-нибудь придумают для уничтожения или процветания человечества.

Ура, сказали физики и начали строить ускорители, где электроны с протонами разгонялись до бешеных скоростей и сталкивались с другими частицами. В результате физики нашли, что кроме протонов, нейтронов и электронов, из которых мы состоим, есть еще десятки других частиц. Это было интересно, но непонятно — зачем так много частиц и как все это объяснить.

«Слушайте, господа ученые, а зачем все это надо?» — вдруг начали спрашивать у физиков, когда они просили очередной десяток миллиардов долларов для нового ускорителя. Физики немного смущались и говорили, что они помогают нам понять, из чего устроен мир и что нас ждет через несколько миллиардов лет. И, вообще, Е = МС квадрат. «Аааа…» — говорили чиновники и, вздохнув, подписывали бумаги. Физики находили все больше частиц и приходили в уныние. Один из теоретиков предложил не давать Нобелевские премии за открытие частиц, а, наоборот, штрафовать. Ибо и без новых частиц все было непонятно.

Шли годы. Люди придумали компьютеры, полетели в космос и научились делать колбасу без мяса. В это время теоретики ломали головы, что делать с тучей элементарных частиц и являются ли они элементарными.

Гел-Манн и Цвейг решительно сказали нет, отвечая на последний вопрос. Протон с нейтроном не являются элементарными частицами, а состоят из трех кварков. Причем, суммарная масса этих кварков всего 5% от массы протонов. Остальные 95% — это энергия их взаимодействия. Они обмениваются невесомыми глюонами, энергия которых и составляет массу протонов.

«Это как? — растерялся изумленный мир, на минутку оторвавшись от побед в космосе и балета на льду. — Это красиво, но непонятно!» «Е = МС квадрат!» — ответили физики и попросили денег на очень большой ускоритель. На нем электроны разгонялись так, что им удавалось залезть внутрь протона и нащупать те самые кварки.

Это была победа! Физики (Вайнберг, Салам и другие) придумали теорию, назвав ее Стандартной Моделью. Теория объяснила «строение» всех известных частиц и их взаимодействий. «Физика кончилась?» — облегченно спросили чиновники. «Нет!» — вздохнули физики. Осталась еще непонятная гравитация, темная материя, темная энергия и много другого, в частности, почему у частиц есть масса. Впрочем, почему у частиц есть масса физики понимали, но не очень. В их уравнениях получалось, что частицы невесомы, а масса появляется из-за взаимодействия с неким таинственным полем.

Это поле называется полем Хиггса. Почему Хиггса, я не понимаю. В 60-х годах прошлого века было еще минимум четыре физика, понявших, что с массой дела обстоят неважно и нужно что-то придумывать. Вообще-то, это поле надо называть полем Браута-Энглера-Хиггса-Хейгена-Киббла. Но, наверное, «поле Хиггса» звучит красивее.

Что это за поле и какое отношение оно имеет к массе?

А вообще, что такое масса? Вот мы пинаем легкий футбольный мяч, он быстро ускоряется и летит с бешеной скоростью. А потом пинаем большой камень, он ускоряется неохотно, летит низёхонько и не очень быстро. Это оттого, что у них разная масса. Чем больше масса, тем труднее разогнать тело.

Вроде все понятно, как-никак в школе законы Ньютона все учили. Но вот другой пример. Мы одели кроссовки и побежали по дорожке в парке. Быстро набрали свои десять километров в час, наслаждаемся вентиляцией легких и укреплением здоровья. А теперь мы зашли по пояс в воду и тоже пробуем бежать. Не тут-то было! Такое чувство, что мы весим не 70 кг, а все 300! Сопротивление воды мешает нам разгоняться, что очень похоже на увеличение массы.

— В мире частиц все так и происходит, — сказал Хиггс. — Частицы невесомы, но они преодолевают сопротивление поля имени меня, что и делает их тяжелыми в неповоротливыми.

— Еще одно поле! — возмутились редакторы журнала Physics Letters, куда Хиггс в 1964 году послал свою статью. — Ты бы хоть что-нибудь предсказал для приличия!

И завернули статью на доработку. Хиггс дописал, что это поле возможно проявится, если будут найдены его кванты — бозоны. После этого статью приняли. Одновременно с Хиггсом на эту тему думали другие физики, но Хиггс этого не знал.

Что такое квант поля? Ну, это элементарно! Есть электромагнитное поле. Его квант называется фотон. Он частица и волна одновременно. Непонятно? Мне тоже. Как и всем остальным. Но так устроен мир. Вот летит фотон — он же волна. Плоская такая, простирается от края до края бездны. Потом эта волна касается поверхности чего-нибудь, мгновенно локализуется и «ударяет» как частица в один единственный электрон. Что значит «мгновенно локализуется»? Вот то и значит! Так уравнения гласят, и не надо задавать лишних вопросов. Эйнштейн тоже этого не понимал, но получил Нобелевскую премию как раз за эти частицы-кванты.

Понимаем мы или не понимаем — неважно. Главное, что физики точно знают, что если есть поле, то у этого поля есть кванты. Называй их сгустками поля, или еще как — это вопрос к нашему воображению, которое не работает в микромире. Если «заглянуть» в микромир с нашими представлениями, то там вообще сплошная пустота. Была надежда на твердые протоны с нейтронами, да и то оказалось, что там кроме трех малюсеньких кварках ничего нет. А если внутрь кварка заглянуть, то вообще жить расхочется. Возможно и там пустота, где только невесомые микрочастицы иногда радуют глаз усталого путешественника в микромир. Из пустоты мы пришли, в пустоте живем, в пустоту вернемся.

Итак, есть некое поле Хиггса, которое тормозит все частицы и у них появляется инерция — сопротивление прилагаемой силе. И это мы называем массой. И у этого поля, как у всех полей, есть кванты, называемые бозонами Хиггса.

Почему бозоны? Так называются все частицы, которые обеспечивают взаимодействие между другими «нормальными» частицами, называемыми фермионами. Это названия от фамилий великих физиков — Бозе и Ферми. Кварки, электроны, мезоны — это все фермионы. А фотоны — бозоны. Эти участвуют во взаимодействии заряженных частиц. Вот встретились два электрона, которым положено отталкиваться, потому что у них у обоих отрицательный электрический заряд. Физики выяснили, что это отталкивание происходит с помощью фотонов — квантов электромагнитного поля. Один электрон испускает эти кванты, второй поглощает. В результате получается отталкивание. Непонятно? Ага, непонятно, но так устроен и работает микромир. И это доказано. Просто надо радоваться, что мы теперь знаем, что есть «нормальные» частицы—фермионы и есть частицы-бозоны, которые обеспечивают взаимодействие между «нормальными» частицами.

Хорошо, пойдем дальше. У фотона нет массы в нашем понимании. Он ускоряется мгновенно и, поэтому, сразу летит с максимальной скоростью — скоростью света. Как, спросите вы. Энергия есть, а массы нет? А как же Е = МС квадрат? Правильный вопрос. У фотона нет массы покоя, вся его энергия «кинетическая». Он живет, пока летит. И не спрашивайте меня больше об этом. Так все устроено и так все вычисляется.

А как же фотон летит через поле Хиггса, которое заполняет всю нашу вселенную? Разве поле его не тормозит? Нет, не тормозит. Плевать фотону на это поле. Он с ним не взаимодействует.

А как насчет бозона Хиггса? Он тоже летит аки камень из пращи в ночи через поле своего имени? Нет! Он взаимодействует. Поле его тормозит и это означат что у бозона есть масса. Ее можно измерить, если удастся получить этот бозон.

Вот теперь мы переходим к самому волнующему. Как обнаружить бозон Хиггса и, тем самым, доказать, что мы все живет в поле Хиггса.

Для этого нам нужно разогнать протоны во встречных пучках и смотреть, что получается в результате их столкновений. Скорости протонов должны быть близки к скорости света, чтобы удар сильным настолько, что в результате родились бы все частицы, которые нам известны. В том числе бозоны Хиггса. А чтобы разогнать протоны до такой скорости, нужен огромный ускоритель. Существующие ускорители не обладали нужной энергией.

Американские физики решили всех опередить и предложили в 1986-м году проект огромного протонного коллайдера (столкновителя) со сверхпроводящим магнитами. В Европе уже поговаривали о строительстве похожего коллайдера немного меньшей мощности, но достаточного для обнаружения пресловутого бозона. Американский проект был таким дорогим, что последнее решение было за президентом. Рональд Рейган посмотрел на стоимость проекта и вздохнул. «Господин президент, — сказали физики. — Это ведь прорыв! Мы докажем, что нас окружают не только гравитационные и электромагнитные поля, но и новое поле Хиггса. Мы должны быть первыми, не опозорить память первопроходцев, покорителей прерий и Скалистых гор». Рейгану это понравилось. Он процитировал Джека Лондона, что «лучше путь я буду пеплом, чем пылью», и подписал бумагу.

Строительство началось в Техасе. Этот штат выделил миллиард, чтобы коллайдер был на их территории. Другие штаты обиделись и стали противниками проекта. Физики обратились за помощью к физикам других стран, но получили отказ. Правительства не захотели давать деньги на проект, который бы прославил Америку. «Это не международный проект», — говорили они. Буш, уроженец Техаса, как мог поддерживал проект, но когда пришел Клинтон, то дело совсем застопорилось. У коллайдера появился соперник — проект по Международной космической станции стоимостью 25 миллиардов долларов. Палата представителей проголосовала в поддержку космического проекта, и выделила физикам деньги только на консервацию прорытых туннелей и зданий коллайдера.

В Европе дела шли более успешно. Физики получили 15 миллиардов и в 2000 году начали переделывать свой старый коллайдер в БАК — Большой адронный коллайдер. В 2008 году там столкнулись первые протоны.

Почему коллайдер называется адронным? Слово «адрон» придумал советский физик Лев Окунь. Это название всех тяжелых частиц, состоящих из кварков. Протоны — это тоже адроны.

Коллайдер сначала поработал, на через 9 дней была пробита изоляция системы гелиевого охлаждения сверхпроводящих магнитов. Произошел взрыв и только через год удалось все восстановить.

Несколько месяцев работы коллайдера позволили переоткрыть все известные элементарные частицы. На старых ускорителях для этого понадобилось 60 лет. Но бозон Хиггса никак не давался в руки. Да, было что-то похожее, но статистики было недостаточно.

4 июля 2012 года войдет в историю физики. В это день в ЦЕРНе состоялась конференция, которая транслировалась на весь мир. Там было сказано, что с вероятностью 0,999999 обнаружена частица, имеющая все свойства бозона Хиггса.

Итак, поле Хиггса существует! Оно окружает нас, невидимое, неосязаемое. Мы можем судить о его наличии, когда пытаемся что-то ускорить. Поле Хиггса обуславливает нашу инерцию, нашу массу.

Энглер и Хиггс получили в 2013 году Нобелевскую премию за предсказание бозона. И что, теперь физика уж точно кончилась? Нет, осталось много вопросов. Теория «Стандартная модель» получила подтверждение, но там много недоработанного. Уравнения показывают, что, возможно, для каждой частицы существует некая другая частица. Это не всем известные античастицы, это что-то совсем непознанное. Придуманы названия для таких частиц. Парами к кваркам, например, являются скварки. Предполагается, что из таких частиц состоит темная материя. Но мало ли что предполагается… Теория, описывающая неизведанные частицы, называется «Суперсимметричное расширение стандартной модели». Придумали ее в 70-х годах Юлиус Вейс и Бруно Зумино. Математический аппарат для теории разработали советские физики и математики: Юрий Гольфанд, Евгений Лихтман, Дмитрий Волков и Владимир Акулов.

Почему бозон Хиггса называется частицей Бога? Это прижилось после книги Леона Ледермана «Частица Бога: если Вселенная это ответ, то каков вопрос». Ледерман сначала написал «частица черта», но редакция исправила.

Почему такое название? Чем так страшен это бозон? Почему журналисты пугали вес мир запуском адронного коллайдера? Опасались, что образуется черная дыра, которая засосет в себя нашу планету. Здесь мне хочется привести комментарий одного из читателей «Комсомольской правды»:

«Если бы была возможность аннигиляции Вселенной от бозона Хиггса, вместо коллайдера люди бы построили подземный Диснейленд с каруселями по кругу».

Мне нравится название «частица Бога». Это бозон стал доказательством существования поля Хиггса, которое сделало наш мир материальным. Без него мы бы носились со скоростью света. И недолго.

А как изменится мир после открытия бозона Хиггса? Что этот бозон даст народному хозяйству, кроме страхов о неизвестном доселе поле? Я прочитал, что теперь надо научиться управлять полем Хиггса, уменьшать массу во время движения и тогда можно будет летать на Марс почти со скоростью света. И будет всем счастье! Это я оставлю без комментариев. Как и другое высказывание:

«Если почитать древнеиндийские трактаты, то там сказано про бозоновые бомбы. А в самой Индии находят следы их применения, сожженные города, хуже Хиросимы. И что этот коллайдер построили для этого, тоже не секрет. Это тоже самое, что освоение атомного оружия, только на более высоком уровне. Кто будет владеть бозоном, тот, как и в 40-х, будет диктовать условия».

Зачем истрачены миллиарды долларов? Есть беспощадные комментарии:

«Такие „физики“-уроды рубят капусту на своих „открытиях“, а газетчики рубят капусту на „сенсациях“, рука руку моет. Оболваненный народ в ужасе платит тем и другим. Но все результаты по Вселенной уже прописаны в Библии, читаем и молимся. Остальное дело за Господом, а не за частицами».

«Сколько ангелов уместится на кончике иглы. Вот эти споры из той же серии. Нет никакого бозона. Ученая мафия скрывает правду».

Бозон есть, деньги потрачены не зря. Мы теперь понимаем наш мир лучше. А практическое использование? Не знаю. И никто не знает. Как не знал Резерфорд, открыв строение атома.

— Ну что сказать… Прихлебывая чай можно понять одно — практического применения открытия в ближайшее время не будет. Этот бозон был известен теоретикам уже давно, но мир от этого не стал лучше. Эти знания не используешь ни в экономике, ни в личной жизни. Вот закон Архимеда — это вещь! Очень важный закон. Как ты его переформулировал: «если не умеющее плавать тело погрузить в воду, то оно утонет?» А твоя формулировка второго начала термодинамики: «убирай — не убирай, а беспорядок все равно вырастет». Это же сама жизнь! А может мы проживем без знаний о бозонах, следуя принципу Бритвы Оккама: не надо вводить новые сущности без необходимости?