В поисках частицы Бога, или Охота на бозон Хиггса - Иэн Сэмпл

Впереди светили грустные выходные, но вдруг Хиггсу показалось, что Гилберт пропустил нечто очень важное. Хиггс вспомнил математический прием, использованный Джулиусом Швингером в квантовой электродинамике, — он, этот прием, позволял решить проблему, замеченную Гилбертом, и показать, как частицы могут стать тяжелыми, то есть исправить недостаток теории Намбу.

В июле 1964 года, утром в понедельник, Хиггс приехал в офис и приступил к работе. В семьдесят девять строчек уравнений и сопровождающего их текста он уложил обоснование ошибочности  аргументов Гилберта. Потом он все это послал в ЦЕРН, где помещалась редакция журнала “Physics Letters”. Его письмо прибыло в конце июля.

Хиггс был страшно возбужден. Он уже думал о большой статье, в которой детально опишет свою теорию. Но тут пришлось подождать.

Он и Джоди поженились в Эдинбурге ровно год назад, и Питер согласился провести выходные вместе с женой, путешествуя по горам Западной Шотландии. Угадать с погодой в Шотландии всегда трудно, но подруга Хиггсов порекомендовала им отличное место — она где-то прочитала, что там выпадает меньше дождей, чем в других районах страны.

В этот вечер Питеру и Джоди повезло, и они нашли убежище в кемпинге, недалеко от маленького городка, где предлагались ночлег и завтрак. Они приехали на место днем, во время ливня, и, пока ставили палатку, взятую напрокат, порвали ее. На следующий день они признали свое поражение и уехали. Питер не расстроился. Это был идеальный предлог, чтобы вернуться в Эдинбург к работе. Когда перепачканные Хиггсы прибыли домой и рассказали об ужасной погоде своей подруге, та смущенно призналась, что невнимательно прочитала статью: на самом деле место, которое она им расхваливала, считалось самым дождливым в Шотландии.

Вскоре после того, как Хиггс послал свою первую работу в редакцию, ему пришло письмо из Америки. Оно было от Уолли Гилберта, прочитавшего препринт статьи. Письмо было вежливым, но в нем утверждалось, что Хиггс сделал неправильные выводы. Хиггс так и не собрался ему ответить, и только десять лет спустя его осенило, что Гилберт не понял его теории из-за небольшой ошибки в работе “Я тогда не заметил ошибки. Я был так возбужден и записал очень быстро то, что было уже сделано. Слишком быстро”, — говорил он мне.

Хиггс завершил свою вторую статью через неделю после того кошмарного похода и отправил ее в ЦЕРН. Как это принято в большинстве журналов, редакторы “Physics Letters” попросили независимых рецензентов прочитать и оценить его работу. Вскоре пришло письмо из ЦЕРНа. Редактор журнала, Жак Прентки, написал Хиггсу, что тот должен доработать свою теорию и представить ее в другой журнал — итальянский, — где нет рецензирования. Позднее Хиггс узнал: Прентки посчитал, что его статья “не имеет отношения к физике элементарных частиц”72.

Хиггс пришел в смятение, но и возмутился. Он понял, что, должно быть, недостаточно разъяснил важность своей работы. Перечитав статью, он в конце добавил несколько новых абзацев. В предпоследнем предложении Хиггс отметил, что в его теории имеется присущая только ей особенность — новая частица. Это предложение и породило бозон Хиггса. Хиггс последовал совету Прентки и послал свою переписанную статью в другой журнал, но не в Италию, а в редакцию американского Physical Review Letters”, главного конкурента церновского журнала.

Ответ Хиггсу пришел в сентябре. Его статья была принята, но с оговоркой. Рецензент хотел, чтобы Хиггс процитировал одну статью, вышедшую в день, когда рукопись Хиггса пришла в офис журнала73. Статья была написана двумя физиками из Брюсселя, Браутом и Энглером. Используя другой подход, ученые пришли к теории, похожей на теорию Хиггса. Они обогнали его на семь недель. Его вторая статья появилась только в конце октября, более чем через месяц. Одним из основных различий между работами Хиггса и брюссельцев было то, что в работе Хиггса предсказывалось существование новой частицы, ныне носящей его имя.

В Брюсселе Браут и Энглер ничего не знали о работах Хиггса. Решив отпраздновать выход своей статьи, они отправились в красивое кафе в здании XVII века с террасой, выходящей в городской парк. Вдохновленные своими грандиозными достижениями, они выпивали, поднимая тосты за здоровье друг друга. Десятилетия спустя Браут рассказал мне, что он тогда ощущал: “Впервые в жизни я чувствовал, на что это похоже — быть крупным физиком”.

В Имперском колледже в Лондоне Гуральник, Хаген и Киббл разрабатывали свою собственную версию теории, объяснявшую, как частицы получили массу путем нарушения симметрии. Статья вышла отличная. Гуральник и Хаген прочитали окончательный вариант и положили рукопись в конверт, приготовив к отсылке в “Physical Review Letters”, когда вдруг в комнату вбежал Киббл, размахивая тремя статьями — две из них были написаны Хиггсом, третья — Браутом и Энглером. Они попали к ним с запозданием — пролежали на почте или были потеряны уже в колледже.

Беглый анализ этих работ показал, что в них рассматривались те же трудные вопросы, но лондонцы понимали, что их статья была более полной Они решили срочно сделать несколько дополнений, сослаться на работы Хиггса, Браута и Энглера и отослать статью в редакцию. Их статья появилась в журнале 16 ноября 1964 года.

Все три группы описали новый вид поля, существующего в вакууме74. В их теориях утверждается, что, когда поле включается, некоторые частицы приобретают массу, а другие остаются безмассовыми75. Это было поразительно похоже на то, что, как сейчас физики понимают, происходит в сверхпроводниках. Перестройка электронов в сверхпроводнике нарушает симметрию электромагнитного поля, что приводит к необычным последствиям. Когда фотон — безмассовая частица света — попадает в сверхпроводник, он обретает массу. Нарушение симметрии делает фотон массивным. Физики называют это эффектом Мейснера — вытеснением магнитного поля из сверхпроводника.

Летом 1965 года Вернер Гейзенберг организо вал небольшое совещание в живописном городе Фельдафинг на берегу озера Штарнберг в окрестности Мюнхена. На совещание приехали многие физики-аксакалы, в том числе Эдвард Теллер, который работал вместе с Робертом Оппенгеймером в Манхэттенском проекте, а в первые годы холодной войны пролоббировал производство водородной бомбы. Гуральника и Хагена привлекла престижность конференции Гейзенберга, к тому же она была прекрасным поводом повидать Европу. Они решили предпринять автомобильное путешествие. Сначала они отправились в Париж, где Хаген взял напрокат дешевый “Рено-8”. Отдав должное парижской кухне и попробовав артишоки на вкус, они уехали в Баварию.

У обоих там были запланированы доклады на конференции. Гуральник до этого уже прочитал несколько лекций в Европе по их с Хагеном теории и огорчался холодным приемом. Его слова встречались с “почти повсеместным неверием”, говорил он мне много лет спустя. Несмотря на это, он не был готов к тому, что произошло в Фельдафинге. Из всех людей, критиковавших теорию, Гейзенберг был самым суровым критиком. Теория, по его словам, была “хламом”.

Тем же августом Питер и Джоди уехали из Шотландии на годичный саббатикл, который Хиггс решил провести в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилл. В работах, которые Хиггс уже опубликовал, описывалось, как природа могла снабдить массой определенные частицы. Но в этих статьях была только заложена основа. Физическое сообщество сомневалось в правильности теории. С точки зрения многих ученых, это был лишь некий хитрый интеллектуальный трюк, который не имел к реальности никакого отношения. Без убедительных аргументов теория не имела никакого смысла, и потому начался новый этап, новая гонка — поиск доказательств.

Глава 4

Заколдованный принц

Когда мысли всех ученых устремляются в одном направлении, развитие науки прекращается. Вместо поисков новых закономерностей ученые начинают топтаться на месте и пережевывать старые результаты76. Соревновательный дух улетучивается. Для настоящей революции нужны оппоненты, а не конформисты. Те шесть ученых, которые пытались решить задачу о происхождении массы, конформистами точно не были. Когда Хиггс начал в Эдинбургском университете работать над своей теорией, он считался аутсайдером — Питер выделялся на общем фоне, поскольку делал совсем не то, что тогда было принято.

Большинство ученых в начале 1960-х перестали заниматься квантовой теорией поля77. Почти за два десятилетия до того благодаря Фримену Дайсону и его коллегам эта область физики получила мощный импульс — теперь ее уравнения очень точно описывали процессы излучения и поглощения света (фотонов) атомами. А потом физики, занимавшиеся элементарными частицами, попытались с помощью аппарата квантовой теории поля описать другие силы и другие частицы, но им это не удалось. Глубоко разочарованные, они решили, что квантовая теория поля годится только для решения одной определенной задачи. Многие тогда забросили квантовую теорию и переключились на другие методы, которые, как они надеялись, помогут продвинуть физику элементарных частиц вперед. Результаты всех усилий вылились в теорию, названную впоследствии теорией S-матрицы78. По сути, это была некая математическая схема, с помощью которой ученые пытались объяснить поведение частиц, сравнивая их состояние до и после взаимодействия или столкновения.