Частица на краю Вселенной

В 1993 году проект БАКа существовал в виде чертежного наброска. Тогда никто не был уверен, что он доберется до стадии реального воплощения. Группа физиков из ЦЕРНа презентовала масштабный проект Уильяму Уолдгрейву, бывшему тогда министром науки Великобритании. Уолдгрейв заинтересовался идеей, но не смог понять главную цель проекта – идею бозона Хиггса. Как вспоминал физик Дэвид Миллер из Университетского колледжа в Лондоне, «он не понял ни слова в том, что было сказано».

Но Уолдгрейв не сдался и предложил ученым найти способ внятно объяснить ему роль бозона Хиггса, причем так, чтобы это объяснение уместилось на одном листе бумаги. Тому, кто придумает лучшее объяснение, он пообещал бутылку марочного шампанского. Миллеру и четырем его коллегам удалось найти отличную метафору, удовлетворившую министра науки. Все пятеро получили по бутылке шампанского, а Великобритания поддержала строительство БАКа.

Я изложу слегка модифицированную версию метафоры Миллера. Представьте себе, что мы с Анжелиной Джоли идем через пустую комнату. (В оригинальной версии по понятным политическим причинам фигурировала не кинозвезда Джоли, а Маргарет Тэтчер, но это не важно – важно, чтобы был кто-то известный.) Давайте проведем мысленный эксперимент и предположим, что скорости, с которыми мы с Джоли обычно ходим, одинаковы. В этом случае мы пересечем пустую комнату за одинаковое время. Существует определенная симметрия: не имеет значения, кто проходит по комнате – Анжелина или я, – время будет одинаково.

Теперь представьте, что в комнате вечеринка, и полно гостей. Может быть, я и иду по забитой людьми комнате немного медленнее, чем по пустой, – я ведь должен иногда притормозить и поменять направление, чтобы протиснуться сквозь толпу гостей, но я прохожу почти незамеченным. А вот если по той же комнате идет красавица Анжелина, это уже совсем другая история: люди останавливают ее, просят дать автограф, сфотографироваться с ними или просто заводят светскую беседу. Можно сказать, что ее «масса» становится больше – для продвижения по комнате от нее требуется больше усилий, чем от меня. (Говоря об увеличении массы, я не хочу сказать, что Анжелина Джоли растолстела, это просто метафора.) Та симметрия, которая была между нами, в присутствии множества людей в комнате нарушается.

Физик бы сказал, что Анжелина Джоли «взаимодействует сильнее» с гостями вечеринки, чем я. Это более сильное взаимодействие отражает ее славу: никто не собирается останавливать меня и просить автограф, а вот известной актрисе взаимодействовать с толпой приходится чаще.

Теперь замените меня на верхний кварк, Анжелину – на истинный кварк, а гостей вечеринки – на поле Хиггса. Если нет заполняющего пространство поля Хиггса, существует идеальная симметрия между верхним и истинным кварками, и они ведут себя так же, как я и Анжелина, когда мы идем по пустой комнате с одинаковой скоростью. Но истинный кварк взаимодействует с полем Хиггса сильнее, чем верхний кварк, поэтому, если поле Хиггса «включено», истинный кварк приобретает большую массу, и ему требуется больше усилий, чтобы двигаться через поле, так же как Анжелине нужно приложить больше усилий, чтобы протиснуться через толпу гостей, чем мне.

Как и любая аналогия, и эта не совершенна. Поле Хиггса заполняет собой пространство, влияя на все, что движется через него. Но в отличие от движения сквозь толпу или еще что-то такое же знакомое, я не могу измерить свою скорость относительно этого фонового поля Хиггса – она оказывается всегда одинаковой, как бы я ни двигался. Чтобы создать частицу, движущуюся в поле Хиггса, требуется затратить больше усилий, но как только она начнет двигаться, она продолжит движение по законам, открытым Галилеем, Ньютоном и Эйнштейном. Поле Хиггса не заставляет частицу замедлиться и двигаться с его собственной скоростью, поскольку оно не имеет скорости. На самом деле никакой аналогии в повседневной жизни для этого нет, но, по-видимому, таково устройство мира.

До появления Эйнштейна и его теории относительности многие физики считали, что электромагнитные волны – колебания среды под названием «эфир». Они даже попробовали обнаружить эфир, попытавшись измерить изменения в скорости света в зависимости от его движения относительно движения эфира. Казалось бы, если свет распространяется в том же направлении, что и эфир, он должен двигаться быстрее, а если навстречу эфиру – медленнее. Но ученые никаких различий не обнаружили. Понадобился гений Эйнштейна, чтобы понять: в концепции эфира нет необходимости, и скорость света в пустом пространстве постоянна. Эфир для поддержания электромагнитного поля не нужен – оно может просто существовать само по себе.