В поисках частицы Бога

1

Университет Северной Каролины в Чапел-Хилле, основанный в 1780-х годах, — старейший государственный университет в США.

2

Описание богословской интерпретации понятия массы и объема см. в кн.: Pierre Duhem. Medieval Cosmology: Theories of Infinity, Place, Time, Void, and the Plurality of Worlds. University Of Chicago Press, 1987.

3

Edward Robert Harrison. Cosmology: The Science of the Universe. Cambridge University Press, 2000.

4

Опубликованные под латинским названием “Principia Mathematica”, ньютоновские “Математические начала натуральной философии” состоят из трех томов.

5

Написанная по-английски “Оптика” — вторая великая книга Ньютона. Она включает теорию отражения, преломления и дисперсии света (анализ и синтез цветов).

6

Полная история открытия электрона дана в кн.: Е. A. Davis. J.J. Thomson and the Discovery of the Electron. Taylor & Francis, 1997.

7

По поводу опровержения Резерфордом томсоновской атомной модели см. кн.: Richard Morris. The Last Sorcerers: The Path from Alchemy to the Periodic Table. Joseph Henry Press, 2003.

8

Нет атома проще, чем атом водорода. Он содержит ядро, состоящее из одного протона, и один электрон.

9

См. также кн.: Andrew Brown. The Neutron and the Bomb: A Biography of Sir James Chadwick. Oxford University Press, 1997.

10

Более подробно об истории кварков см. кн.: Andrew Watson. The Quantum Quark. Cambridge University Press, 2004, а также кн.: M. Y. Han. Quarks and Gluons, World Scientific, 1999.

11

Для более полного представления попробуйте прочитать кн.: Frank Close, Michael Marten and Christine Sutton. The Particle Odyssey: A Journey to the Heart of Matter. Oxford University Press, 2004.

12

Полную историю открытий, лежащих в основе Стандартной модели, можно найти в кн.: Hoddeson et al. 1999 (см. библиографию).

13

Частицы вещества образуют три поколения, которые отличаются только массой. Первое поколение кварков — это верхние (up) и нижние (down) кварки, второе поколение включает в себя очарованные (charm) и странные (strange) кварки, а третье поколение — прелестные (beauty или bottom) и истинные (truth или top). В каком-то смысле второе и третье поколения кварков — это более тяжелые кузены кварков первого поколения. Первое поколение лептонов — это электроны и электронное нейтрино. Второе, более тяжелое, поколение включает в себя мюон и мюонное нейтрино. Третье поколение лептонов — тау-лептон и тау-нейтрино. Мюон и тау-лептон — тяжелые версии электрона.

14

Частицы — переносчики взаимодействия в Стандартной модели — бозоны, а именно фотоны (электромагнитное взаимодействие), глюоны (сильное взаимодействие) и W- и Z-бозоны (слабое взаимодействие). Пятый в этом ряду — бозон Хиггса. Термин “бозоны” появился в честь индийского физика Сатиендра Нат Бозе. Более подробную информацию о Бозе см. в кн.: Satyendra Nath Bose: His Life and Times, edited by Kameshwar С Wali. World Scientific, 2009.

15

Из всех фундаментальных сил природы слабые силы, вероятно, наименее известны. Все частицы, за исключением глюонов и фотонов, ощущают действие слабых сил. Они действуют на столь коротких расстояниях, что по сути дела являются контактными. Слабая сила принимает участие в радиоактивном бета-распаде. когда радиоактивные элементы испускают электроны или позитроны высоких энергий. При обмене W-бозонами тип кварка может измениться, или — говоря иначе — изменится аромат.

16

Ньютоновские законы движения прекрасно описывают объекты (или частицы), которые движутся значительно медленнее, чем свет. Но при скоростях, близких к скорости света, физические законы резко изменяются, и важную роль начинает играть теория относительности Эйнштейна. Эта теория является следствием двух утверждений: во-первых, скорость света одинакова для всех зрителей, независимо от их относительных скоростей, а во-вторых, законы физики одинаковы во всех инерциальных (неускоряющихся) системах отсчета. Иными словами, законы физики одинаковы, находитесь ли вы в стационарной лаборатории или мчитесь в пространстве с постоянной скоростью.

17

Ученые подсчитали, что уже за 1 пикосекунду, или одну триллионную долю секунды, после Большого взрыва Вселенная достаточно остыла, чтобы включилось поле Хиггса.

18

Ученые в целом соглашаются, что Вселенной 13,7 млрд лет. А что происходило до этого? Теория до сих пор ничего не может сказать по этому вопросу, и мы, возможно, никогда этого не узнаем. Стивен Хокинг сравнил вопрос о том, что происходило до Большого взрыва, с вопросом о том, что находится к северу от Северного полюса.

19

Исчезновение поля Хиггса или изменение его напряженности имело бы драматические последствия, например, для химии. Электрон приобретает массу с помощью поля Хиггса. Без этого поля электроны остались бы безмассовыми и двигались бы слишком быстро, чтобы атомные ядра захватили их на атомные орбиты. Периодическая система элементов перестала бы существовать.

20

В Стандартной модели поле Хиггса является сложным и состоит из двух нейтральных и двух заряженных компонентов. Два заряженных компонента дают массу положительно и отрицательно заряженным W-бозонам. Один нейтральный компонент дает массу Z-бозону. Бозон Хиггса является квантом оставшегося нейтрального компонента поля.

21

Более подробную информацию о работе Гёделя см. в кн.: Gregory J. Chaitin. Thinking about Godel and Turing: Essays on Complexity, 1970-2007. World Scientific, 2007.

22

Более подробную информацию о работе фон Неймана о теории игр см. в кн.: William Poundstone. Prisoner’s Dilemma: John von Neumann, Game Theory and the Puzzle of the Bomb. Anchor Books, 1993.

23

Интервью с автором, август 2008.

24

Интервью с автором, август 2007.

25

Там же.

26

Daniel Kastler, Derek W. Robinson and Andre Swieca. Conserved currents and associated symmetries; Goldstone’s theorem’. Communications in Mathematical Physics. Vol. 2. No. 2 (1966). P. 108-120.

27

Оппенгеймер ушел в отставку с поста директора в 1966 году после того, как ему поставили страшный диагноз — рак горла. Он умер 18 февраля 1967 года в возрасте 62 лет.

28

Интервью с автором, август 2008 года.

29

Peter Higgs. See ‘SBGT and all that’. Weak Neutral Currents, edited by David В Cline. Westview Press, 1997.

30

Полный отчет о вещании из Челмсфорда концерта Мельбы см. в кн.: Sean Street. A Concise History of British Radio 1922-2002:80 Years of Key Developments. Kelly publications, 2002; Brian Hennessy. The Emergence of Broadcasting in Britain. Southerleigh, 2005.

31

Impacts and Influences: Essays on Media Power in the Twentieth Century, edited by James Curran, Anthony Smith and Pauline Wingate. Methuen Young Books, 1987.

32

См. предыдущие ссылки.

33

Burton Paulu. Television and Radio in the United Kingdom. University of Minnesota Press, 1981.

34

George Shiers. Early Television: A Bibliographic Guide to 1940. Routledge, 1996. Francis Wheen. Television. David & Charles, 1986.

35

Более подробную информацию о необычной наружности Максвелла см., например, в кн.: Henry Abraham Boorse, Lloyd Motz and Jefferson Hane Weaver. The Atomic Scientists: A Biographical History. Wiley, 1989; Martin Goldman. The Demon in the Aether: The Story of James Clerk Maxwell. Adam Hilger, 1984.

36

Matthew Radmanesh. The Gateway to Understanding: Elections to Waves and Beyond. Author-House, 2005: Rodney Carlisle. Scientific American Inventions and Discoveries: All the Milestones in Ingenuity from the Discovery of Fire to the Invention of the Microwave Oven. Wiley, 2004. Фарадей был первым, кто в 1845 году использовал термин “магнитное поле”.

37

Martin Goldman. The Demon in the Aether. The Story of James Clerk Maxwell. Adam Hilger, 1984.

38

Концепция объединения стала мощным ориентиром в физике и других науках. Более подробную информацию о большом объединении в физике см. в кн.: Z. Hassan. Ideals and Realities: Selected Essays of Abdus Salam. World Scientific, 1983; Tom Siegfried. Strange Matters: Undiscovered Ideas at the Frontiers of Space and Time. Joseph Henry Press, 2002.

39

Более подробную информацию об эфире см. в кн.: Lawrence Krauss. Quintessence. Vintage, 2001: Kevin С. Knox and Richard Noakes. From Newton to Hawking: A History of Cambridge University’s Lucasian Professors of Mathematics. Cambridge University Press, 2002.

40

Bernard Cohen and George E. Smith. The Cambridge Companion to Newton. Cambridge University Press, 2002.

41

Более подробную информацию о предсказаниях Кельвина см., например, в кн.: Gordon Fraser. The New Physics for the Twenty-First Century. Cambridge University Press, 2006: Ted Davis, Roger H. Stuerwer and Rutherford Aris. Springs of Scientific Creativity: Essays on Founders of Modern Science. University of Minnesota Press, 1983.

42

Barbara Lovett Cline. Men Who Made a New Physics: Physicists and the Quantum Theory. University Of Chicago Press, 1987.

43

Цитируется в кн.: William Cropper. Great Physicists (см. библиографию), автор, который ссылается на кн.: Max Planck. Scientific Autobiography and Other Papers (Physikalische Abhandlungen und Vortrage). New York Philosophical Library, 1949.

44

Более подробную информацию о квантовом описании эффекта см. в кн.: Andrew Whitaker. Einstein, Bohr and the Quantum Dilemma: From Quantum Theory to Quantum Information. Cambridge University Press, 2006; Abraham Pais. Subtle Is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford University Press, 2005.

45

Газы поглощают и излучают свет разных длин волн из-за различия энергий электронных орбит. Можно представить электронные орбиты в виде концентрических колец с центром в атомном ядре. Если электрон поглотит достаточно энергии, он перескочит вверх на более высокую орбиту. Длина волны поглощенного света определяется разностью энергетических уровней — величиной энергетического зазора между орбитами. Когда электрон падает снова вниз, он излучает свет той же длины волны. Изучая спектры разных газов, ученые могут определить расположение их электронных орбит.

46

Размышления Гейзенберга во время его визита на Гельголанд см. в кн.: Subrahmanyan Chandrasekhar. Truth and Beauty: Aesthetics and Motivations in Science. University Of Chicago Press, 1990.

47

См., например, кн.: Martinus Veltman. Facts and Mysteries in Elementary Particle Physics. World Scientific. 2003.

48

Более подробно о мыслях Шрёдингера по поводу идей де Бройля и формулировки квантовой теории см. в кн.: Graham Farmelo. It Must Be Beautiful: Great Equations of Modern Science. Granta, 2003.

49

Дирак прочитал первую статью Шрёдингера по волновой механике, и она ему не понравилась. Он предпочитал матричную механику Гейзенберга и исходил из нее, создавая в своей докторской диссертации общий формализм квантовой механики.

50

Дирак удачно соединил квантовую теорию со специальной теорией относительности Эйнштейна, в результате появилась релятивистская квантовая теория поля. Более подробно см. в кн.: John Charap. Explaining the Universe: The New Age of Physics. Princeton University Press, 2002. Наиболее полная биография Дирака — в кн.: Graham Farmelo. The Strange Man. (см. библиографию).

51

Уже написано много книг об антиматерии. Последнюю книгу — Frank Close. Antimatter. Oxford University Press, 2009 — трудно считать простым введением.

52

По словам Хиггса, “Дирак хорош в математике, но безнадежно плох в практических инженерных вопросах”.

53

S. Chandrasekhar. Verifying the theory of relativity. Bulletin of the Atomic Scientists, June 1975. Когда Хиггс учился в лондонском Королевском колледже, он считал Эддингтона “чокнутым”. Попытка Эддингтона объединить квантовую теорию с теорией относительности и гравитацией была охарактеризована Хиггсом как “полная чушь”.

54

С помощью датских рыбаков Нильса Бора вывезли из Дании в Швецию. Затем он сел на борт бомбардировщика “Москито” и прилетел в Англию, после чего переехал в США, в Лос-Аламосскую национальную лабораторию, где стал работать в рамках Манхэттенского проекта — заниматься созданием американской атомной бомбы. Полный рассказ об этой истории и более подробно про Бора см. в кн.: George Gamow. Thirty Years that Shocked Physics. Dover Publications, 1985.

55

Большая часть соответствующей работы по делению была проделана Ганом вместе с Лизе Майтнер и Фрицем Штрассманом. Для более подробной информации см. кн.: Siegmund Brandt. The Harvest of a Century: Discoveries in Modern Physics in 100 Episodes. Oxford University Press, 2009.

56

Чрезвычайно важные и часто трогательные диалоги между интернированными физиками собраны в кн.: Siegmund Brandt. The Harvest of a Century: Discoveries in Modem Physics in 100 Episodes. Oxford University Press, 2009.

57

Цитата взята из книги “The Day After Trinity”, где собраны документы о жизни и творчестве Роберта Оппенгеймера.

58

Об этом — в президентском послании Хиггса Максвелловскому обществу. Протокол заседания находится в архиве Королевского колледжа в Лондоне.

59

Более подробную информацию о солипсизме и философских размышлениях Декарта см., например, в кн.: Bertrand Russell. Human Knowledge: Its Scope and Limits. Routledge, 2009.

60

Кларк, известный писатель, автор романов, написанных в жанре научной фантастики, был выпускником Королевского колледжа и учился в университете за несколько лет до Хиггса. Его идеи о межпланетных путешествиях в то время всеми высмеивались.

61

О Фейнмане написано несколько отличных книг, однако трудно превзойти его собственные воспоминания о событиях, приведших к теории перенормировки. Хороша его нобелевская лекция, прочитанная и декабря 1965 года.

62

Это не бросает тень на личность Фейнмана. Отношения Фейнмана с женщинами и его браки были проникнуты нежностью и преданностью. Для более полной информации см. кн.: William Cropper. The Great Physicists (см. библиографию).

63

Сэвил-роу — улица в центре Лондона, на которой расположены дорогие ателье и магазины мужской одежды. (Здесь и далее примеч. пер.)

64

В 1950-х годах постдоковские стипендии были редкостью, и эти позиции были чрезвычайно престижными. В Лондоне только несколько студентов получали такие стипендии. Хиггс окончил Королевский колледж лучшим по физике в своем выпуске.

65

Есть несколько хороших отчетов об истории движения за ядерное разоружение, в том числе: Richard Taylor. Against the Bomb: The British Peace Movement 1958-1965. Oxford University Press. 1988. Рассказ Вертрана Расселла о кампании против Лайнуса Полинга см. в кн.: Bertrand Russell: Critical Assessments, edited by Andrew Irvine, Routledge, 1998.

66

Намбу опубликовал несколько статей уже в 1960 году, например, в “Physical Review Letters” и “Proceedings of the 10th Annual Rochester Conference on High Energy Nuclear Physics”. Более подробную статью см. в: “Physical Review”. Vol. 122. No. 1 (1961). P. 345-358.

67

Бруно Зумино из Калифорнийского университета в Беркли рассказал о своей попытке понять Ёитиро Намбу: “Мне пришла в голову мысль, что, если я смогу узнать, что Намбу думает сейчас, я буду иметь преимущество в десять лет перед всеми. Поэтому я разговаривал с ним в течение длительного времени. Но прежде чем мне удалось понять хоть что-то, прошло десять лет”. Кроме того, Эд Виттен из Института перспективных исследований в Принстоне сказал однажды о Намбу: “Люди не понимают его, потому что он видит слишком далеко вперед”.

68

Сверхпроводимость является гораздо более сложным и тонким процессом, чем я описал. Хорошее введение в сверхпроводимость см. в кн.: P.J. Ford and G. A. Saunders. The Rise of the Superconductors. CRC Press, 2004; Gerhard Bomer. The Early Universe. Springer, 2004.

69

Существует полезный раздел по теме нарушения симметрии в кн.: John Barrow. New Theories of Everything. Oxford University Press, 2007. См. также: Robert Crease and Charles Mann. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. Rutgers University Press, 1996: Broken Symmetries. A Scientific Backgrounder on the Nobel Prize in Physics. Royal Swedish Academy of Sciences, 2008.

70

Первоначально полагали, что эти частицы, названные голдстоуновскими бозонами, наполняют любую систему со спонтанно нарушенной симметрией. Причина, по которой они создавали проблему, такова: чтобы родиться, безмассовым частицам нужно очень мало энергии, следовательно, если бы они существовали. их можно было бы так же легко наблюдать в природе, как фотоны, кванты света. Тот факт, что никто не видит эти безмассовые частицы, позволил с большой вероятностью предположить, что к обретению частицами масс привело не спонтанное нарушение симметрии. Проблема вошла в науку как теорема Голдстоуна.

71

Гилберт был научным руководителем докторской диссертации Гуральника.

72

Прентки возглавлял теоретический отдел в ЦЕРНе.

73

Несколько лет спустя Намбу рассказал Хиггсу, что он и был этим рецензентом.

74

Ссылки на ключевые работы каждой из трех команд см. в библиографии.

75

Поле Хиггса наделяет частицы массой разными способами в зависимости от их типа. В Стандартной модели есть четыре вида частиц-переносчиков взаимодействий: фотоны, глюоны, W-бозоны (которые могут быть положительными или отрицательными) и нейтральный Z-бозон. Перед тем как поле Хиггса активизируется, все эти частицы без массы, и волны, связанные с ними, имеют только поперечную составляющую, то есть колебания происходят в плоскости, перпендикулярной к направлению распространению частицы. На фотоны и глюоны поле Хиггса не действует, a W- и Z-частицы взаимодействуют с ним таким образом, что их волны приобретают продольную составляющую, то есть колебания могут происходить и в направлении движения. Именно эта дополнительная степень свободы делает W- и Z-частицы массивными. Для кварков и лептонов (за исключением, возможно, нейтрино) ситуация иная. Прежде чем поле Хиггса включилось, кварки и электроны находились, что называется, в единственном спиновом состоянии. Некоторые спины направлены по движению, другие — в противоположном направлении. Когда поле Хиггса включается, эти частицы получают возможность находиться в двух спиновых состояниях, и именно этот процесс, как полагают, и придает им массу.

76

В книге “Ideals and Realities: Selected Essays of Abdus Salam” (World Scientific, 1983) Салам говорит, что наука развивается только в условиях обмена идеями и непрерывной критики. Некоторые физики, к примеру Питер Войт из Колумбийского университета, стали непопулярными, предположив, что значительная область физики пришла в упадок из-за чрезмерного внимания к теории струн, описывающей частицы как крошечные колеблющиеся нити энергии.

77

Более подробно см., например, работу: Kerson Huang. Fundamental Forces of Nature: The Story of Gauge Fields.World Scientific, 2007. Ее автор, почетный профессор теоретической физики в Массачусетском технологическом институте, пишет: “Против квантовой теории поля возник бунт, возможно, из-за разочарования”. См. также кн.: 50 Years of Yang-Mills Theory. Edited by Gerardus’t Hooft. World Scientific, 2005; и главу, посвященную Джулиусу Швингеру и релятивистской квантовой теории поля в кн.: Stig Lundqvist. Nobel Lectures in Physics, 1963-1970. Worl Scientific, 1998.

78

Более подробную информацию о развитии теории S-матрицы см. в кн.: Laurie Mark Brown, Max Dresden and Lillian Hoddeson. Pions to Quarks: Particle Physics in the 1950s. Cambridge University Press. 1989; Michio Kaku. Hyperspace: A Scientific Odyssey through Parallel Universes, Time Warps, and the Tenth Dimension. Oxford University Press, 1994.

79

Фраза, использованная Хиггсом для описания S-матрицы в интервью автору в 2008 году. Термин “черный ящик” Хиггс употреблял в научном значении, то есть как определение системы или устройства, о котором известно только то, что у него на входе и на выходе, а как внутри его первое трансформируется во второе, неизвестно. Этот черный ящик не следует путать с черным ящиком, который находится в самолете и используется для изучения причин аварии, если вдруг таковая случается.

80

Частицы описываются несколькими характеристиками, но наиболее распространенные — масса и заряд. Теории, в которых предсказывается величина массы частицы, особенно полезны, потому что в этом случае физики знают, сколько энергии необходимо для того, чтобы создать их в ускорителе элементарных частиц, большая масса соответствует и более высокой энергии. Знание массы нестабильной частицы помогает ученым разобраться, на какие стабильные частицы она может распадаться. Эти распады часто используются в качестве доказательства того, что рождение частицы состоялось.

81

Возьмем магнитное поле Земли. В каждой точке на поверхности Земли (и в атмосфере) у него есть направление и напряженность, причем напряженность больше на полюсах. То же самое касается и поля тяжести. Поля, которые имеют напряженность и направление, называются векторными. А теперь возьмем температурное поле. Температура различается в разных точках Земли очень сильно, но “температурное поле” не имеет направления. То же самое верно и для поля Хиггса. Поля, которые характеризуются величиной, но не направлением, называются скалярными.

82

Если бы можно было изменять напряженность поля Хиггса, оно непосредственно воздействовало бы на массы электронов внутри атомов, что, в свою очередь, привело бы к изменению их размеров и нарушило их стабильность.

83

Цитируется в рассказе Гуральника о его работе с Хагеном и Кибблом по теории масс, опубликованном в “International Journal of Modern Physics A”, February 2009.

84

Статья переиздана в сборнике эссе Стивена Вайнберга (Facing up: Science and Its Cultural Adversaries. Harvard University Press, 2001). Во время моего интервью с Вайнбергом он повторил фразу из статьи: “Прогнозы, которые, как уже известно, дают неправильные результаты, мешают продвинуться вперед”.

85

“Модель лептонов”: см. библиографию.

86

Нобелевская лекция Глэшоу, прочитанная 8 декабря 1979 года. Он получил премию за работы по объединению электромагнитных и слабых сил.

87

См. ссылку 83.

88

Колоритное описание Утрехта и использование здания физического факультета в разных целях дано в автобиографии Герарда ‘т Хоофта (The Nobel Prizes. Nobel Foundation, 1999).

89

Краткая автобиография Вельтмана дана в кн.: The Nobel Prizes. Nobel Foundation, 1999.

90

Так описал это Герард ‘т Хоофт в интервью, данном автору в 2009 году.

91

Burton Feldman. The Nobel Prize: A History of Genius, Controversy and Prestige. Arcade Publishing, 2001.

92

В 2010 году все шесть физиков получили премию Дж. Дж. Сакураи по теоретической физике элементарных частиц за работы о происхождении массы. Церемония награждения состоялась в феврале 2010 года в Вашингтоне. Ожидалось, что впервые все шестеро встретятся, но Хиггс приехать не смог.

93

См. статью “SBGT and all that” Питера Хиггса (сборник Weak Neutral Currents, edited by David В Cline. Westview Press, 1997).

94

Два подробных отчета об открытии нейтральных токов особенно информативны. Первый был написан Дональдом Перкинсом, находившимся в центре событий (“Gargamelle and the discovery of neutral currents”, в кн.: The Rise of the Standard Model. Cambridge University Press, 1997). Второй полезный отчет написан Питером Галисоном (“The discovery of neutral currents”, в сборнике “Weak Neutral Currents”. Westview Press, 1997).

95

Frank Close, Michael Marten and Christine Sutton. The Particle Odyssey: Journey to the Heart of Matter. Oxford University Press, 2004.

96

Для получения дополнительной информации см. кн.: Mark Oliphant. Rutherford: Recollections of the Cambridge Days. Elsevier Science, 1972.

97

J. L. Heilbron and Robert W. Seidel. Lawrence and His Laboratory: A History of the Lawrence Berkeley Laboratory. Vol. I. University of California Press, 1989.

98

Gordon Fraser. The Quark Machines: How Europe Fought the Particle Physics War. Taylor & Francis, 1997.

99

Абрахам Пайс описывает подъем физики в США сразу после Второй мировой войны в кн. “Inward Bound” (см. библиографию). На с. 473 он замечает: “Европейская наука и технология могут развиваться параллельно с развитием в других местах, но утечку мозгов можно замедлить, только объединив все силы”.

100

В фотоархиве ЦЕРНа имеется прекрасная фотографии Адамса с пустой бутылкой (Cern Document Server, Record 39074).

101

Детальный портрет Роберта Уилсона и описание его работы в Фермилабе см. в кн.: L. Hoddeson, A. W. Kolb and С. Westfall. Fermilab: Physics, the Frontier and Megascience. University of Chicago Press, 2008.

102

Описание этого обмена репликами, доставляющее истинное наслаждение, см. в кн.: Robert P. Crease Charles С Mann. The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics. MacMillan. 1986.

103

По поводу этой и других причуд Уилсона см. там же.

104

На нейтрино не действуют электромагнитные силы, и, поскольку они имеют крошечные массы, сила тяжести на них тоже почти не действует, зато они чувствуют слабые силы, что делает их идеальными объектами для изучения слабых взаимодействий.

105

Peter Galison. The discovery of neutral currents. In Weak Neutral Currents, edited by David B. Cline. Westview Press, 1997.

106

Оригинальное описание этого эпизода см. в статьях: Peter Galison. The discovery of neutral currents (см. выше); John Krige. Distrust and discovery: the case of the heavy bosons at Cern. Isis Vol. 92. September 2001.

107

Selected Papers of Abdus Salam. World Scientific, 1994.

108

Galison (см. выше).

109

Krige, 2001.

110

В архиве ЦЕРНа хранится эта записка Джона Адамса от 8 июня 1978 года, озаглавленная “Утверждение списка оборудования для получения ppbar-столкновений” и адресованная К. Руббиа и Ван дер Мееру.

111

В архиве ЦЕРНа хранится это извинение Адамса, озаглавленное “Обращение к сотрудникам ЦЕРНа” и сделанное 24 августа 1978 года.

112

Fermilab: Physics, the Frontier and Megascience. University of Chicago Press, 2008.

113

Письмо из архива ЦЕРНа от 20 декабря 1982 года, копия направлена сэру Алеку Моррисону, президенту Совета ЦЕРНа.

114

См.: Krige, 2001.

115

О поиске W- и Z-частиц см.: Christine Sutton at Cern and Peter Zerwas at the German laboratory. The W and Z at LEP. Cern Courier. May 2004: Pierre Darriulat.The W and Z particles: a personal recollection. Cern Courier, April 2004.

116

Хет-трик — в хоккее и футболе три гола, забитые одним игроком.

117

J. Ellis, M.K. Gaillard and D.V. Nanopoulos. A phenomenological profile of the Higgs boson. Nuclear Physics B. Vol. 106,197. P. 292-340.

118

Technology Review. Vol. 86 (1983).

119

New York Times. 6 июня 1983 г.

120

В основу этого рассказа легли два больших интервью, взятых мною у Трайвелписа, он же предоставил мне копии нескольких своих пространных лекций по истории Суперколлайдера.

121

Более подробно о Суперколлайдере и проблеме происхождения массы см. в статье.: J. David Jackson, Maury Tigner and Stanley Wojcicki. The Superconducting Supercollider. Scientific American, 1986.

122

White House, DOE announce support for CCK. Ferminews, the Fermilab in-house journal, 13 February 1987.

123

Fermilab: Physics, the Frontier and Megascience. University of Chicago Press, 2008.

124

Мысли Ледермана по поводу лукавства Руббиа при обсуждении проекта LHC — в статье: Gary Taubes. Collision over the Supercollider. Discover magazine, July 1985.

125

См. комментарии, приписываемые Джеймсу П. Сегне. в некрологе Крамханслу (‘James Krumhansl, 84, Opponent of Supercollider’. New York Times, 22 May 2004.

126

О прогнозе Крамхансла см. в: Physics Today Washington Reports. P. 50. August 1987.

127

Государственный секретарь Херрингтон подробно остановился на этом вопросе на слушаниях в подкомитете по энергетике, научным исследованиям и развитию Комитета по науке, космическому пространству и технологиям палаты представителей, состоявшихся 17 и 18 марта 1987 года. При обмене мнениями с республиканцем Шервудом Болертом он сказал: “Это американский проект с участием американских ученых в области физики высоких энергий, и он предназначен для поддержания американского лидерства в данной области".

128

Недавно выбранному губернатору Техаса был предоставлен выбор между поддержкой Суперколлайдера и космической станции. Э. Ригардс решила не финансировать проект Суперколлайдера. (Из лекции, прочитанной Элвином Трайвелписом на совещании Американского физического общества в Тампе, штат Флорида, 19 апреля 2005 года.)

129

Издатель Ледермана утверждал, что никто никогда не слышал о Питере Хиггсе, поэтому использование его имени в названии книги неправильно. Все физики, с которыми я говорил о втором имени частицы (частица Бога), отвергали его. Основные возражения — оно кажется претенциозным и, возможно, оскорбительно для религиозных людей. Но есть и другие претензии. Физики высказывают справедливые упреки, что оно бессмысленно и смешно. Другие названия частиц могут показаться неясными, но во многих случаях они осмысленны. Время появления названия оказалось особенно неудачным, поскольку книга Ледермана появилась, когда для многих школ США креационизм становился серьезной проблемой. Чтобы понять, с какими вопросами сталкиваются журналисты, упоминая частицу Бога, см. статью Денниса Овербая “Что в имени тебе моем? Разбор частицы Бога, элементарная метафора" (New York Times. August 2007).

130

Более полный обзор особенностей проектирования и строительства Большого электрон-позитронного коллайдера см. в кн.: Herwig Schopper. LEP: The Lord of the Collider Rings at Cern 1980-2000. Springer, 2009. Журнал ЦЕРНа “CERN Courier” является полезным и бесплатным ресурсом, что особенно ценно для желающих узнать побольше о машине.

131

Энергия, которую электроны теряют, двигаясь по изогнутой траектории, называется синхротронным излучением. Эти потери мешают при создании пучков высоких энергий, так как чем быстрее электроны летят, тем больше они излучают, поэтому больше энергии должно выкачиваться из ускоряющего оборудования. Но есть и другая сторона медали. Синхротронное рентгеновское излучение невероятно интенсивно и может быть использовано для изучения всех видов объектов — от белков до авиационных двигателей. В синхротроне Diamond в Оксфордшире синхротронное излучение было использовано для изучения фрагментов свитков Мертвого моря без их распрямления и порчи хрупкого папируса.

132

Из выступления Маргарет Тэтчер на заседании в лондонском Королевском обществе, в зале “Fishmongers” 27 сентября 1988 года.

133

Влияние приливов Земли на LEP было описано 27 ноября 1992 года в статье Малкольма В. Брауна в “New York Times”: “Луна обвиняется в появлении всплесков в ускорителе частиц”. Более подробная статья “Воздействие земных приливов на энергию пучка LEP” была опубликована в ЦЕРНе Л. Арнодоном и др. 2 марта 1994 года.

134

Рассказ взят из документа ЦЕРНа “Алеф. Опыт работы: 25 лет воспоминаний”. 2-е издание, январь 2006 года.

135

Мэддокс был блестящим редактором и журналистом. Редакционная статья, о которой идет речь, появилась в журнале “Nature”. Vol. 362. 29 April 1993. P. 785.

136

Некоторые ученые считают, что истинное поле Хиггса возможно дает энергию для инфляции — экспоненциального расширения ранней Вселенной. См., например, статью: Безруков Ф. и Шапошников М. Бозон Хиггса в Стандартной Модели как источник инфляции. Physics Letters В. Vol. 659. Iss. 3,24,2008. P. 703-706.

137

Эта история в то время широко освещалась. В Великобритании газета “Independent” опубликовала статью под заголовком “Семейная ссора обрушилась на теорию Большого взрыва”.

138

Более подробно об инциденте с бутылками пива см. издание ЦЕРНа: The Aleph experience: 25 years of memories. 2nd edition. January 2006. и статью: Declan Butler. Two green bottles leave physicists hanging. Nature. 27 June 1996.

139

Этот совершенно неправдоподобный сценарий был одной из наболее диковинных идей, которые физикам пришлось рассмотреть, когда в конце XX века появились протесты по поводу безопасности коллайдеров часгиц.

140

М. Mukerjee. Little Big Bang. Scientific American. March 1999.

141

К сожалению, хотя это и объяснимо, ни редакторы “Scientific American”, ни Вильчек не смогли разыскать оригинала письма.

142

В январе 1997 года радиоактивная форма водорода, называемая тритием, была обнаружена в грунтовых водах к югу от реактора High-Flux Beam Reactor (HFBR) Брукхейвенской национальной лаборатории. Концентрация трития превышала государственные и федеральные стандарты для питьевой воды, но только в районе Брукхейвенской лаборатории. Министерство энергетики решило закрыть реактор навсегда в 1997 году, за два года до того, как разгорелся спор по поводу коллайдера РИК.

143

Robert Crease. The case of the deadly strangelets. Physics World. July 2000. P. 19-20. Крис цитирует ответ физика на этот вопрос следующим образом: “Ах, такая связь не приходила мне в голову”.

144

Вся история дана в кн.: Felix Franks. Polywater. MIT Press, 1981.

145

Joseph Kapusta. Accelerator disaster scenarios, the Unabomber, and scientific risks. Physics in Perspective, Springer, 2008.

146

Несколько статей и докладов по этому вопросу были крайне полезны. Вот наиболее близкие по теме: Cern LHC safety assessment group. Review of the safety of LHC collisions. Journal of Physics G, September 2008: Study of potentially dangerous events during heavy ion collisions at the LHC: Report on the LHC safety study group. Cern document, 28 February 2003. Обзор, выпущенный Брукхейвенской лабораторией, содержит детальный анализ этих вопросов. ‘Review of speculative “disaster scenarios” at RHIC’ появился в первоначальной форме 28 сентября 1999 года, а в обновленном виде — 14 июля 2000 года.

147

Sidney Coleman and Frank de Luccia. Gravitational effects on and of vacuum decay. Physical Review D. June. 1980.

148

Michael S. Turner and Frank Wilczek. Is our vacuum metastable. Nature, Vol. 298. 12 August 1982.

149

Piet Hut and Martin Rees. How stable is our vacuum? Nature. Vol. 302. 7 April 1983.

150

В книге “Наш последний век” Мартин Рис пишет: “Хат и я пришли к выводу о том, что пустое пространство не может быть настолько хрупким, чтобы разбиться на части от экспериментов, поставленных физиками на ускорителях. Если бы это было так, то Вселенная не просуществовала бы такое длительное время, и мы бы все здесь не находились. Тем не менее, если наши ускорители станут в сто раз мощнее (что практически невозможно пока из-за финансовых трудностей, но, вероятно, произойдет, если будут разработаны новые умные конструкции), эти проблемы опять возникнут, если за это время мы не научимся благодаря новым полученным знаниям делать более определенные и более обнадеживающие прогнозы на основании чистой теории. Одна из таких умных новых конструкций называется “поле плазменного следа" (лазерного кильватерного ускорения), когда частицы ускоряются до огромных энергий на очень малых расстояниях. Если технологию доведут до совершенства, можно будет строить ускорители размером в разы меньше сегодняшних гигантов.

151

См., например: Justin Berton. Catching rays with radiation man. East Bay Express. 27 August 2003. По данным журнала “People” (от 26 сентября 1977 года), Вагнер провел некоторое время в тюрьме.

152

A. Kent. Problems with empirical bounds for strangelet production at RHIC.10 September 2000, arXiv: hepph/0009130; A critical look at risk assessments for global catastrophes. 10 December 2003, arXiv: hepph/0009204.

153

F. Calogero. Might a laboratory experiment destroy the world? Interdisciplinary Science Reviews. Vol. 25. No. 3 (2000). P. 191.

154

Если масса бозона Хиггса меньше примерно 140 ГэВ, его будет трудно обнаружить на ШС, так как частицы с такой массой, скорее всего, будут распадаться на прелестный (bottom) кварк и антипрелестный кварк, а они рождаются в огромном количестве почти в каждом столкновении. Они просто замажут любой намек на увеличение количества кварков, созданных распадающимися частицами Хиггса.

155

Для повышения производительности LEP в период между 1999 и 2000 годами были сделаны шесть основных усовершенствований. Для подробного объяснения сути каждого и их влияния на энергию пучка см.: P.Janot and М. Kado. Direct search for the Standard Model Higgs boson. Comptes Rendus Physique. Vol. 3 (2002). P. 1193.

156

Более подробный рассказ — в материалах ЦЕРНа: ‘The Aleph experience: 25 years of memories’, 2nd edition, January 2006.

157

Большинство повреждений возникло у пластмассовой изоляции вокруг кабеля. (См.: Н. Schonbacher and М. Tavlet. Absorbed doses and radiation damage during the 11 years of LEP operation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. Vol. 217. Iss. 1, 2004. P. 77-96.)

158

Этот первый намек на Хиггса был записан на детекторе “Алеф” 6 июня 2000 года как часть эксперимента LEP за номером 54698.

159

Протокол 55-го заседания Комитета по экспериментам на LEP от 20 июля 2000 года.

160

См. протокол специального закрытого семинара Комитета LEP от 5 сентября 2000 года.

161

Alison Abbott. Cern considers chasing up hints of Higgs boson. Nature. Vol. 407. 7 September 2000.

162

См. протокол специального закрытого заседания семинара комитета LEP, ссылка приведена выше.

163

См. протокол 148-го заседания исследовательского совета ЦЕРНа от 14 сентября 2000 года.

164

В протоколе 148-го заседания исследовательского совета ЦЕРНа от 14 сентября 2000 года говорится: “Продление работы LEP в 2001 году приведет к задержке запуска LHC на 18 месяцев и будет стоить около 100 миллионов швейцарских франков”.

165

S. W. Hawking.Virtual black holes. arXiv: hep — th/95ioo29v, 16 October 1995. В резюме статьи Хокинг утверждает: “Эта потеря квантовой когерентности при низких энергиях очень мала для всего, кроме скалярного поля, что приводит к предположению, что мы никогда не увидим частицы Хиггса". (Некоторые из процитированных ниже статей можно найти на сайте препринтов ‘arXiv’ в онлайновом репозитарии академических статей по математике и физике. К примеру, чтобы найти статью Стивена Хокинга “Виртуальные черные дыры” (1995), нужно набрать ID статьи, то есть hep-th/95ioo29Vi в поисковой строке на сайте (http://www.arxiv.og).)

166

Alastair Dalton. Clash of the atom-smashing academics. The Scotsman, 2 September 2002.

167

Для детального обсуждения различных каналов распада и вероятностей см. статью: P. Janot and М. Kado. Direct search for the Standard Model Higgs boson. Comptes Rendus Physique. Vol. 3 (2002). P. 1193.

168

Выступление Росса Бербеко в передаче “Границы" на канале ВВС Radio-41 ноября 2000 года.

169

См. протокол 56-го заседании Комитета по экспериментам LEP от 3 ноября 2000 года.

170

“New York Times”, 4 ноября 2000 года.

171

Протокол 149-го заседания исследовательского совета ЦЕРНа от 7 ноября 2000 года гласит: “После долгих и трудных обсуждений, в которых были учтены докладные записки от всех коллабораций ЦЕРНа, члены исследовательского совета решили, что не могут согласиться с рекомендациями генерального директора”.

172

См. примечания конфиденциального совещания Европейского комитета по ускорителям будущего, состоявшегося в DESY, Германия, 30 ноября 2000 года.

173

Пресс-релиз ЦЕРНа от 8 ноября 2000 года.

174

CERN split over collider closure. Physics World, 1 December 2000.

175

Из переписки с С. Хокингом.

176

Alison Abbott. CERN’s head rejects mismanagement claims. Nature. Vol. 413.18 October 2001.

177

См. раздел “Search for the Standard Model Higgs boson at LEP”, Physics Letters B. Vol. 565 (2003). P. 61.

178

Статья “Признаков бозона Хиггса нет”, опубликованная 5 декабря 2001 года, начиналась так: “Легендарной частицы, с помощью которой физики объясняли, почему материя имеет массу, вероятно, не существует”.

179

Идея предложена Леоном Ледерманом, бывшим директором Фермилаба.

180

Конвей написал четыре подробных рассказа об этом эпизоде на блоге “Cosmic Variance”, организованном журналом “Discover”. Два из них появились 26 января 2007 года, а последующие 9 марта и 22 октября.

181

Для введения в теорию суперсимметрии см., например, “Nature’s Blueprint: Supersymmetry and the Search for a Unified Theory of Matter and Force”, написанную ученым из Фермилаба Дэном Хупером (Dan Hooper, Smithsonian, 2008). Для более глубокого изучения см. кн.: Steven Weinberg. The Quantum Theory of Fields: Supersymmetry. Cambridge University Press, 2000.

182

Дориго ведет умный и вместе с тем развлекательный блог под названием “Сохранившиеся квантовые дневники” на сайте scientificblogging.com. Упомянутая заметка появилась 19 января 2007 года.

183

Смотрите статью “Следы частицы Бога найдены?” в журнале “New Scientist”, 3 марта 2007 года.

184

См. пост Шона Кэрролла “Что найдет LHC?” на Cosmic Variance, 4 августа 2008 года.

185

Герой фильма Ллойд спрашивает свою любимую Мэри, каковы их шансы быть вместе. Мэри отвечает: “1 на 100 миллионов”. Он восклицает: “Так вы говорите, у меня есть шанс?!”

186

См. статьи: Андрей Миронов и др. Если LHC является фабрикой по производству мини-машин времени, сможем ли мы это заметить? ArXiv: hep-th 0710.3395V1, 17 октября 2007 года; И. Арефьева и И. Волович. Машина времени на LHC”, ArXiv: hep-th 0710.2696V2, 26 октября 2007 года; Michael Brooks. 2008: Does time travel start here? New Scientist, 9 February 2008.

187

Очень подробный отчет об этом инциденте: М. Bajko et al. Report of the task force on the incident of 19 September 2008 at the LHC. LHC Project Report 1168. 31 March 2009.

188

Теория Нильсена и Ниномия наделала много шума после публикации вредоносного эссе Денниса Овербая в “New York Times”, озаглавленного “The Collider, the particle and a theory about fate” и появившегося 12 октября 2009 года. В одной из работ Нильсена, “Imaginary part of action, future functioning as hidden variables" (arXiv: quant-ph 0911.4005V1, 20 November, 2009) он заявляет: “Мы утверждаем в нашей модели, что проект ССК (Сверхпроводящего суперколлайдера) был остановлен конгрессом США из-за воздействия на прошлое большого количества частиц Хиггса, которые он произвел бы, если бы его запустили”. Многие физики так и не поняли, пошутили тогда Нильсен и Ниномия или сказали это всерьез. В одном из писем Нильсен мне написал: “Это не настоящая теория, и мы на самом деле в нее не верим”.

189

Незадолго до моего визита в Фермилаб там были опубликованы три статьи про охоту на частицы Хиггса: по одной от каждой из команд детекторов CDF и DZero и третья, которая объединяла результаты обеих групп. Отчет, в котором представлены данные по возможной массе частицы Хиггса, равной 115 ГэВ, принадлежит группе CDF. Более подробную информацию о признаках рождения частиц Хиггса на “Теватроне” при 115 ГэВ см. в Интернете: Tomasso Dorigo. New Tevatron Higgs limits got worse, but the 115 GeV excess is growing! В блоге “A Quantum Diaries Survivor”, 19 November 2009.

190

John Conway. Endgame for the Tevatron. Блог “Cosmic Variance”, 21 September 2009.

191

Из-за сложностей с финансированием “Теватрон” все-таки закрыли в конце сентября 2011 года.

192

См. материалы симпозиума ЦЕРНа: “From the Proton Synchroton to the Large Hadron Collider — 50 Years of Nobel Memories in High-Energy Physics”, 3-4 December 2009. Вельтман прочитал лекцию “LHC и бозон Хиггса” на второй день работы симпозиума. Видео и слайды доступны на сайте ЦЕРНа.

193

David Stancato and John Terning. The Unhiggs. Journal of High Energy Physics, Number n. 2009. P. 101.

194

Эту фразу и ее вариации обычно приписывают как Нильсу Бору, так и Йоги Берра. Версию Бора можно увидеть среди прочих в кн.: John Barrow. Assays on Science, Art and Philosophy. Oxford University Press, 2000.

195

Более подробная информация — на веб-семинаре по физике Кима Триста в Калифорнийском университете в Дэвисе. Семинар проходит под общим названием “Атом под рентгеновскими лучами: Тайна пустого пространства: бозоны Хиггса, энергия вакуума и дополнительные измерения”, и его материалы можно найти на сайте UCSD TV.

196

Gian Francesco Giudice. A Zeptospace Odyssey. Oxford University Press, 2010. Автор книги заявляет: “Это может быть сделано только путем нагревания Вселенной до температуры выше 10¹⁵ градусов, что в сто тысяч миллионов раз больше, чем температура в центре Солнца. Очень маловероятно, что столь высокие температуры будут когда-либо достигнуты, даже если сбудутся самые пессимистичные прогнозы на глобальное потепление”.

197

Некоторые авторы написали книги про скрытые миры. Хорошее введение в тему дано в главе 12 в кн.: “Higgs bosons of a hidden world in James Wells’s Lectures on Higgs Boson Physics in the Standard Model and Beyond”.

198

13 декабря 2011 года в ЦЕРНе состоялось заседание групп детекторов “Атлас” и CMS, на котором сделали доклады представители групп — Фабиола Джанотти и Гвидо Тонелли соответственно. Они подвели итоги первого периода работы коллайдера при пониженных энергиях. Фабиола Джанотти рассказала о двух достижениях своей группы — исключении с 95-процентной вероятностью масс для бозона Хиггса за пределами интервала от 115,5 до 121 ГэВ и получении свидетельств рождения бозона Хиггса с массой 126 ГэВ при статистической значимости 2.3 сигма. Гвидо Тонелли заявил об исключении интервала масс для бозона Хиггса 127-600 ГэВ. Ученые ЦЕРНа выразили надежду на то, что уже в 2012 году после включения обновленного коллайдера с увеличенной светимостью будет набрана достаточная статистика для заявления о настоящем открытии бозона Хиггса.