Страница 3 из 73
Однако физикам потребовалось довольно много времени, чтобы признать реальность кварков. Дело в том, что их никто и никогда не видел. Американские физики Марри Гелл-Манн и Джордж Цвейг выдвинули концепцию кварков в 1964 году, причем независимо друг от друга10. Они поняли, что поведение протонов и нейтронов можно объяснить, если допустить, что каждый из них содержит тройку кварков. В 1966 году, когда Хиггс приехал в Принстон, эта теория еще была спорной. Потребовалось еще несколько лет, чтобы кварки стали считаться такими же элементарными частицами, как электроны.
Примерно за полвека после открытия электрона физики выявили около двухсот различных видов частиц, большинство из которых состояли из пары и триплета других субатомных частиц11. “Размножение” частиц стало сбивать с толку, но в середине 1970-х была создана система, которая стала предметом особой гордости физики элементарных частиц. Эта система вошла в науку как Стандартная модель (название такое прозаическое, что даже обидно). Она постулирует, что вся известная материя, все вещество во Вселенной строится из всего лишь нескольких истинно элементарных частиц12.
Согласно Стандартной модели, существует двадцать четыре фундаментальных кирпичика, из которых строится вся материя. Среди них шесть типов (или ароматов) кварков (называемых верхними (up), нижними (down), истинными (top, truth), прелестными (beauty), очарованными (charm) и странными (strange), каждый из которых подразделяется на три вида в зависимости от свойства, известного как их цвет13. Цвет может быть красным, зеленым или синим, но эти определения не имеют никакого отношения к визуальным ощущениям. Кварки различных цветов притягиваются друг к другу. Следующая шестерка типов частиц материи называется лептонами, они образуют семью, включающую в себя электроны и призрачные, почти безмассовые частицы, называемые нейтрино, которые проходят почти беспрепятственно через все, что встречают на своем пути. В нашей Вселенной вся известная нам стабильная материя построена из кварков и электронов.
Другие частицы, описываемые Стандартной моделью, не являются строительными блоками материи, они выполняют другую работу. Четыре из них, отвечающие за перенос взаимодействий, существующих в природе, называются бозонами14. Мы не проваливаемся сквозь пол благодаря электромагнитному взаимодействию, которое переносится фотонами — квантами, “частицами света”. Внутри атомных ядер кварки склеиваются “сильным взаимодействием”, носителями которого являются частицы, метко названные глюонами (от английского glue — клей). Другие частицы, называемые W- и Z- бозонами, являются носителями сил, определяющих слабые взаимодействия, они вступают в дело, когда распадаются некоторые радиоактивные элементы15. Стандартную модель венчает еще одна частица, теоретически предсказанная Питером Хиггсом и названная в его честь бозоном Хиггса.
Казалось бы, в Стандартной модели есть все, что нужно, чтобы ответить на вопросы об источнике массы. Если все известные нам стабильные вещества состоят из кварков и электронов, то резонно предположить, что массы этих элементарных частиц — наименьшие возможные единицы массы. Тогда легко посчитать, какую массу имеет любой объект, просто просуммировав вклады всех миллиардов кварков и электронов, содержащихся в нем. Однако все не так просто.
Когда при суммировании получается неправильный ответ, это обычно означает, что мы что-то упустили. Вот, к примеру, протон. Он состоит из двух верхних кварков и одного нижнего. Если вы сложите их массы, то получите всего 1 процент массы протона. Но откуда же остальные 99 процентов его массы? То же самое происходит и с нейтроном, который содержит один верхний кварк и два нижних. Если ньютоновское определение массы, согласно которому масса — просто мера количества вещества, было бы правильным, то суммирование масс кварков дало бы правильный ответ. Но Ньютон знал только часть правды. Недостающая масса берется откуда-то еще.
Сложная это штука — масса. А насколько сложная, стало ясно в 1905 году, когда 26-летний Альберт Эйнштейн, работая днем в патентном ведомстве в Берне, в Швейцарии, а вечерами занимаясь физикой, написал и опубликовал статью под названием “Зависит ли инерция тела от содержащейся в нем энергии?”. Забегая вперед, скажем, что ответ положительный. Эйнштейн показал, что масса и энергия взаимозаменяемы, более того — масса может рассматриваться как мера содержания энергии в теле. Для научного сообщества эта идея прозвучала как гром среди ясного неба. Она — прямое следствие специальной теории относительности Эйнштейна16. Именно тогда Эйнштейн вывел уравнение m = Е/с2, где масса предмета равна его энергии, деленной на квадрат скорости света. Переписав, получаем всем хорошо знакомое уравнение Е = mс2, из которого легко увидеть, что из-за гигантских значений скорости света (около 300 000 километров в секунду) даже в объектах с маленькой массой содержится огромное количество энергии.
Открытие Эйнштейна в определенной степени объясняет, почему масса протона больше, чем сумма масс его частей. Масса трех кварков внутри протона равна всего лишь одному проценту массы протона, но они удерживаются вместе благодаря чрезвычайно сильным взаимодействиям. Основная часть массы протона приходится на энергию движения кварков внутри протона и энергию их связи. Это приводит нас к замечательному выводу: большая часть массы любого объекта — от вашей любимой собаки до мобильного телефона — определяется огромной энергией, которая в нем заключена и благодаря которой объект остается единым целым.
Взаимосвязь между массой и энергией, открытую Эйнштейном, лучше всего демонстрируют гигантские ускорители, которые физики используют для изучения субатомных частиц. Столкните две частицы друг с другом на достаточно высоких скоростях, и осколки при столкновении, скорее всего, будут содержать более тяжелые частицы, чем исходные. Энергия, выделяющаяся при столкновении, практически мгновенно переходит в массу новых частиц.
Совместными усилиями Ньютон и Эйнштейн заложили основы нашего понимания природы масс, но в 1960-х годах стало ясно, что не хватает чего-то еще. Ученые никак не могли объяснить, откуда элементарные частицы получили свою массу. Именно эту тайну теория Хиггса, кажется, объяснила. И именно с ее помощью ученые надеются найти полное объяснение происхождения массы всей известной нам материи.
Питер Хиггс прибыл в Чапел-Хилл 6 сентября 1965 года. Оставив Джоди, которая была в то время беременна, у ее родителей в городе Урбана, штат Иллинойс, он принялся обустраивать их новый дом. Начав работу в университете, он приступил к своей первой большой работе о происхождении массы. 24 сентября, когда он трудился в факультетской библиотеке, его позвали к телефону — голос в трубке сообщил, что Джоди только что родила их первого сына, Кристофера.
Закончив статью о массе в ноябре, Хиггс послал один экземпляр в редакцию журнала и еще несколько — физикам, которым, как он думал, она будет интересна. Теория Хиггса описывала критический момент рождения Вселенной, хотя тогда, в 1965 году, это было еще не совсем понятно. Молодой ученый показал, что поначалу строительные блоки материи вообще ничего не весили. Элементарные частицы были совершенно невесомыми. Затем, через доли секунды после Большого взрыва — события, которое запустило жизнь во Вселенной, — что-то случилось17. Некое энергетическое поле, распространенное во всем пространстве, вдруг включилось, и в тот же самый момент безмассовые частицы, которые носились вокруг со скоростью света, были захвачены этим полем и приобрели массу. И чем сильнее они чувствовали воздействие поля, тем тяжелее становились.
Время начало отсчет 13,7 миллиарда лет тому назад, когда случился самый первый взрыв18. Вселенная тогда была микроскопическим сгустком огромной энергии, слишком перегретая, чтобы в ней действовали известные нам сейчас законы природы. Но в мгновение ока (если бы там поблизости был кто-нибудь, кто мог бы мигнуть оком) Космос вырос до размеров волейбольного мяча и охладился достаточно (примерно до 10 тысяч триллионов градусов Цельсия), чтобы поле Хиггса ожило. И тут же первые строительные блоки материи были укрощены, они сделались тяжелыми и медлительными, как мухи в супе.