В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса

Сэмпл Иэн

В Университетский колледж Хиггс пришел работать в 1960 году и сразу устроился временно на вторую работу секретарем научной группы в Кампанию за ядерное разоружение (CND). Эта организация была создана в 1958 году видными политическими деятелями левого толка, которые добивались одностороннего запрета на ядерное вооружение. Первые походы на Олдермастон — ядерный военный объект Великобритании — собрали массу народа, тогда казалось, повсюду были развешаны плакаты CND.

Хиггс был ответственным за организацию переговоров с учеными, поддерживающими Кампанию. В марте того же года он надеялся пригласить американского ученого и борца за мир Лайнуса Полинга, получившего в 1954 году Нобелевскую премию за работы по природе химической связи. Сначала видный офтальмолог из Оксфорда Антуанетта Пири написала Полингу и попросила

его сообщить Хиггсу, сможет ли тот приехать в Лондон на званый вечер или коктейль-пати, организуемые CND, или выступить на заседании Кампании за ядерное разоружение. Письмо, написанное 25 марта 1960 года, содержало оценки Пири состояния современной ядерной проблемы в Англии: “Официальные круги в Великобритании теперь против ядерного оружия, но по разным, не относящимся к сути проблемы причинам, например финансовым, многие политические партии по-прежнему считают нужным опираться на американское устрашение”. Заканчивалось письмо на оптимистической ноте: “Может быть, новые русские инициативы по частичному запрету и контролю вызовут положительную реакцию м-ра Макмиллана или г-на Эйзенхауэра. Пройти даже небольшой путь в правильном направлении — это так важно!” Оба — премьер-министр Великобритании Гарольд Макмиллан и президент США Дуайт Д. Эйзенхауэр — во время холодной войны наращивали свои силы ядерного сдерживания.

Письмо пришло на домашний адрес Полинга в Пасадине, Калифорния, но затерялось в куче бумаг. Хиггс получил ответ три месяца спустя, со множеством извинений. В своем письме Полинг подчеркнул, что находится в настоящее время под сильным давлением. Летом ему было приказано предстать перед Комитетом по законодательству на слушаниях по безопасности. Причем его попросили принести с собой списки имен всех людей, помогавших собирать подписи под составленной Полингом петицией с настоятельным призывом к Организации Объединенных Наций внести предложения по международному соглашению о запрещении испытаний ядерного оружия. Давая понять, что он не намерен подчиниться, Полинг выражал надежду, что, возможно, еще не слишком поздно приехать в Лондон на заседание CND.

Два года спустя Полинг получил Нобелевскую премию мира. Он стал вторым в истории лауреатом награжденным двумя разными Нобелевскими премиями. Первой была Мария Кюри: премия по физике в 1903 году за исследование радиоактивности и по химии в 1911 году за открытие радиоактивных элементов радия и полония.

Осенью 1960 года Хиггс получил место, которое уже давно ждал. Николас Кеммер, один из коллег Дирака по Кембриджу, перешел в Эдинбургский университет на профессорскую ставку, недавно освобожденную Максом Борном. Кеммер искал лектора по физике, и Хиггс был идеальным кандидатом. Не было на свете человека менее похожего на Дирака, чем Кеммер, — разговорчивый, с легким характером, находящий общий язык с самыми разными людьми. Конечно же шутя Кеммер говорил своему протеже, что давным-давно потерял контакт с современной физикой. Тоже активно участвуя в движении по ядерному разоружению, он вскоре скинул на Хиггса многие свои обязанности, в том числе организацию регулярных совещаний сотрудников CND.

Страх тотальной ядерной воины привел к пополнению рядов CND, но ее раздирали внутренние серьезные разногласия по вопросам о допустимости прямых ненасильственных действий, таких как блокада и массовые сидячие забастовки ⁶⁵. Сторонники прямых действий победили, и в 1961 году они организовали протесты перед Министерством обороны в Холи-Лох, в Шотландии, где базировался флот США, в частности ядерные подлодки “Посейдон”. Более тысячи активистов CND были тогда арестованы.

Популярность CND только увеличила рабочую нагрузку Хиггса, но он не собирался жаловаться. Эта деятельность перевернула и его личную жизнь. В первый год своего пребывания в Эдинбурге на встрече сотрудников CND Хиггс разговорился с 24-летней девушкой, приехавшей из Урбаны, штат Иллинойс, изучать развитие техники речи. Она была со своими друзьями из CND, и звали ее Джоди Уильямсон. Вскоре у нее с Хиггсом начался бурный роман.

На физическом факультете Хиггс был ответственным за научные журналы, которые каждую неделю приносили в офис секретаря. Он бегло их просматривал, на обложке отмечал даты и выставлял на стенд для просмотра другими сотрудниками. В один из весенних дней 1961 года Хиггс,

листая свежий журнал, натолкнулся на статью, привлекшую его внимание: американский физик японского происхождения Ёитиро Намбу из Университета Чикаго, пытаясь объяснить, как элементарные частицы могли приобрести массу, использовал теорию сверхпроводимости ⁶⁶. Намбу до переезда в Чикаго работал с Эйнштейном. Его авторитет в науке был невероятно высок, недаром о нем говорили: Намбу настолько интеллектуально превосходит собеседников, что его часто не понимают ⁶⁷.

Нормальный проводник, например медная проволока, проводит электричество из-за того что его атомы расположены относительно друг друга определенным образом. Они образуют решетку, в которой орбиты электронов, вращающихся вокруг одного атома меди, перекрываются с орбитами электронов соседнего атома. Фактически это решетка положительных ионов меди, погруженная в море почти свободных электронов, способных легко перемещаться. Вот почему медная проволока хорошо проводит электричество — электроны движутся вдоль нее как вода по садовому шлангу.

Проводимость меди, как и других металлов, зависит от температуры. При нагреве проводимость падает, поскольку ионная решетка колеблется и затрудняет продвижение электронов. Когда металл остывает, амплитуды колебаний уменьшаются, и электронам становится легче двигаться. Тем не менее нормальный металл никогда не станет идеальным проводником, потому что даже при абсолютном нуле, то есть при -273 градусах по Цельсию, электроны по-прежнему рассеиваются на дефектах и примесях решетки.

Сверхпроводник отличается от нормального проводника коренным образом. Если его охладить до определенной температуры, он вдруг теряет все свое электрическое сопротивление. Такое странное поведение сверхпроводящих материалов привело ученых к мечте о внутренних и транснациональных сверхэффективных энергетических системах, где будут использоваться сверхпроводящие провода, по которым электрический ток будет идти даже без малейших энергопотерь.

В конце 1950-х ученые открыли механизм сверхпроводимости, то есть поняли, что заставляет сверхпроводники вести себя в соответствии со своим названием. Когда сверхпроводник охлаждается ниже критической температуры, его электроны образуют пары — явление это очень необычное. Такие электронные пары в сверхпроводниках ведут себя, словно кристаллической решетки не существует вовсе, они подобны некой сверхтекучей субстанции, перемещающейся по кристаллу без потери энергии. Итак, если температура сверхпроводника ниже критической температуры, его сопротивление равно нулю ⁶⁸.

События, происходящие внутри сверхпроводника и приводящие к мгновенной потере электросопротивления, — пример того, что физики называют нарушением симметрии ⁶⁹. Концептуальный прорыв Намбу состоял в том, что он поставил вопрос: а вдруг именно какое-то нарушение симметрии, происшедшее где-то во Вселенной, сделало безмассовые частицы массивными? В своей статье он набросал вариант такого развития событий, при котором протоны, нейтроны и некоторые другие частицы могли приобрести массу. В работе Намбу не содержалось никаких доказательств, но она заронила в умы физиков, в том числе Хиггса, мысль о том, что нарушение симметрии может быть ключом к пониманию происхождения массы.

Трудно переоценить значение, которое симметрия сыграла в истории физики. Всегда, еще со времен Галилея, симметрия для физиков была путеводной нитью при постижении законов природы. Под симметрией физики понимают свойства природы, которые остаются неизменными при различных операциях.

Проявление симметрии можно увидеть везде Шар для снукера (разновидность бильярда) вы глядит одинаково, с какой стороны на него ни посмотри, потому что он полностью симметричен Раскрути его вокруг оси, как волчок, и его внешний вид не изменится. Это пример того, что называется вращательной симметрией. Кроме этого существует бесчисленное множество других видов симметрии. Вот пример пространственной, или трансляционной, симметрии: перенесите мяч и положите его на стол рядом с собой — он по-прежнему выглядит так же. Погуляйте минут десять, и, когда вы вернетесь, шар снова не изменится — это временная симметрия. То есть вид шара не зависит от его положения в пространстве или во времени.