Механизм Хиггса

Лиза Рэндалл

Физик (Гарвардский университет); автор книги Knocking on Heaven’s Door: How Physics and Scientific Thinking Illuminate the Universe and the Modern World («Стучась в небесную дверь: как физика и научное мышление открывают тайны Вселенной и современного мира»)

По большому счету, красота науки – в отсутствии у нее субъективности. Так что вопрос «Какое у вас любимое глубокое, красивое и элегантное объяснение?» может смутить настоящего ученого: для него объективные слова здесь – лишь «какое», «у», «вас», «или» и (в идеальном научном мире) «объяснение». Красота и изящество, конечно, играют роль в науке, но отнюдь не являются арбитрами истины. Впрочем, я готова признать, что простота (которую часто путают с изяществом) иной раз может служить полезным критерием «объяснительной силы» теорий и гипотез.

Но если все-таки отвечать на вопрос без уверток, то я выберу объяснение, которое кажется мне совершенно очаровательным и относительно простым и которое даже, пожалуй, можно проверить не более чем за год. Это механизм Хиггса, названный в честь физика Питера Хиггса, который его и описал. По всей видимости, механизм Хиггса отвечает за массы элементарных частиц, подобных электрону. Если бы электрон обладал нулевой массой (как фотон), он бы не соединялся с другими частицами, образуя атомы, и никакие структуры в нашей Вселенной не возникли.

Так или иначе, экспериментальное измерение масс элементарных частиц показало, что эти массы не равны нулю. Проблема лишь в том, что они нарушают фундаментальную структурную симметрию, которая, как нам известно, присутствует в физическом описании частиц: если считать, что элементарные частицы обладают массой с самого начала, теория будет предсказывать абсурдное поведении частиц с околосветовой скоростью и высокой энергией: к примеру, она будет давать вероятности взаимодействия, превышающие единицу.

Так что здесь кроется серьезная загадка. Это и пытается разъяснить механизм Хиггса. Мы еще до конца не знаем, действительно ли он в ответе за возникновение массы у элементарных частиц, но пока никто не нашел другого удовлетворительного объяснения.

Механизм Хиггса можно попробовать понять, рассуждая в категориях так называемого спонтанного нарушения симметрии, которое само по себе, по-моему, идея весьма красивая. Симметрия в таких случаях нарушается благодаря реальному состоянию природного объекта, а не под действием законов физики. К примеру, вы сидите за обеденным столом и пьете из бокала, который стоит справа от вас, точно так же поступают и все ваши сотрапезники. В этом смысле обеденный стол симметричен: и справа, и слева от вас имеется бокал. Однако каждый выбирает правую емкость, тем самым спонтанно нарушая симметрию «право – лево», которая иначе наблюдалась бы за столом.

Природа ведет себя сходным образом. Физические законы, которые описывают объект, именуемый полем Хиггса, следуют природной симметрии. Однако реальное состояние поля Хиггса эту симметрию нарушает. При низкой энергии частиц оно обретает определенное «значение». Это неисчезающее поле Хиггса чем-то сродни электрическому заряду, распространяющемуся в вакууме (вакуум – состояние, при котором в данной части Вселенной нет никаких реальных частиц). Частицы приобретают свои массы, взаимодействуя с этими «зарядами». Поскольку это значение поля возникает лишь при низких энергиях частиц, они, в сущности, обладают массами лишь при таких энергиях, так что парадокс масс элементарных частиц, похоже, успешно разрешен.

Имейте в виду, что в физике частиц так называемая стандартная модель работала и работает превосходно, хотя мы пока и не знаем, корректен ли предложенный Хиггсом механизм. Более того, нам не нужно знать о механизме Хиггса, чтобы выяснить, что частицы имеют массы, и делать многие успешные предсказания в рамках стандартной модели. Однако механизм Хиггса играет важнейшую роль для разработки приемлемой теории того, как эти массы возникают. Успех стандартной модели иллюстрирует другую красивую идею, имеющую принципиальное значение для всей физики: речь идет о понятии «эффективной теории». Идея всего лишь в том, что вы можете полностью сосредоточиться на измеряемых количественных величинах, делая прогнозы, и оставить проблемы понимания этих количественных величин на потом, когда вы освоите более точные методы измерений.

К счастью, такое «потом» уже наступило для механизма Хиггса или, по крайней мере, для его простейшего варианта, где задействована частица, получившая название «бозон Хиггса». Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, расположенный близ Женевы, дал ответ, существует ли такая частица. Теперь, когда бозон Хиггса обнаружили, можно провести измерения его количественных характеристик и выяснить, подтверждает ли он базовые ожидания или более сложные гипотезы, существующие в рамках механизма Хиггса. Бозон Хиггса поможет продемонстрировать корректность механизма Хиггса и даст нам представление о том, какая структура отвечает за спонтанное нарушение симметрии и распространение «заряда» в вакууме. Мало того, бозон Хиггса можно будет отнести к новому типу частиц (это будет, по терминологии некоторых физиков, фундаментальный бозон), в каком-то смысле он будет проявлением нового типа взаимодействий. Все это может показаться очень уж затейливыми и эзотерическими рассуждениями. Однако они кажутся мне (и большинству физиков-теоретиков) красивыми, глубокими и изящными.

Симметрия – штука грандиозная. Как и ее нарушение. Многие аспекты физики частиц сначала казались уродливыми, а с годами приобрели элегантность. Субъективность в науке возможна не только на уровне академических сообществ, но и на уровне отдельных специалистов. И даже эти отдельные специалисты нередко меняют свое мнение с течением времени. Вот почему так важно проводить эксперименты, пускай и весьма сложные: куда легче интерпретировать их результаты, чем понять природу красоты.