Вообще-то, первый текст должен был быть о другом, но новость о возможной поимке бозона Хиггса внесла коррективы в наши планы. О неуловимом бозоне ходят легенды. Его называют «частицей Бога» — не потому, конечно, что физики внезапно занялись богословием, а потому, что обнаружение этого бозона позволит дать ответы на фундаментальные вопросы об устройстве Вселенной. Его боятся: мол, выделение некоего критического количества таких частиц может создать чёрную дыру, в которую мы все провалимся. Про него шутят: «В кэше Яндекса были найдены убийца Кеннеди, священный Грааль, второй носок и бозон Хиггса»; «Что делать, если случайно проглотил бозон Хиггса?» — «Опровергнуть его существование». Ну а что это такое-то? И что нам от его обнаружения?
В макромире все объекты ведут себя в соответствии с законами Ньютона: яблоки падают на землю, а на всякое действие находится своё противодействие. В микромире — мире элементарных частиц — законы иные.
Тут необходима ремарка: если объекты макромира мы видим своими глазами и даже можем использовать в экспериментах, то элементарную частицу не пощупаешь, не разглядишь — судить о кварках, бозонах и прочей «мелочи» часто приходится по математическим моделям, которые основаны на статистической вероятности того или иного поведения тех или иных частиц.
В общем виде законы микромира описаны в уравнениях Шрёдингера (да-да, того самого, которого кот), а частностями занимаются различные уточнения — статистика Бозе-Эйнштейна или, например, статистика Ферми-Дирака (это всё фамилии). Частицы (сами атомы или их составные части, или составные части составных частей), подчиняющиеся той или иной статистике, называются соответственно фермионами, бозонами и так далее.
Все процессы во Вселенной обусловлены четырьмя фундаментальными взаимодействиями. С первым мы рано или поздно знакомимся на собственном опыте: это гравитация, благодаря которой существуют такие явления, как прыжки с тарзанки и падения с качелей. Второе изучаем в школе — это электромагнитное взаимодействие, без которого не работают телефоны, кофеварки и даже сам Большой адронный коллайдер.
Другие два фундаментальных взаимодействия актуальны для мира элементарных частиц. Сильное взаимодействие действует внутри атомных ядер и, грубо говоря, удерживает их от распада на протоны и нейтроны. Слабое взаимодействие позволяет некоторым видам субатомарных частиц превращаться друг в друга, обмениваясь энергией, массой, электрическими зарядами.
Когда-то физики выяснили, что электричество и магнетизм являются разными проявлениями одного явления — электромагнетизма. Теперь считается, что слабое взаимодействие и электромагнетизм — проявления единого электрослабого взаимодействия.
Правда, при первом построении теории единого электрослабого взаимодействия у физиков возникли проблемы: некоторые элементарные частицы остались без массы. Само по себе отсутствие массы — не трагедия, но тут безмассовыми оказались частицы, которые безмассовыми быть никак не могут (не будем приводить формулы, поверим физикам на слово). Возникло противоречие.
Но, может быть, масса просто то появляется, то исчезает? Ну, не из ниоткуда, конечно, — это уже из области фантастики, а как результат взаимодействия со средой. Точнее, с полем.
Представим себе футбольное поле. Мы можем просто прогуляться по нему, как по газону, но как только начинается игра, на нём начинают действовать определённые законы. Вратарь не может касаться мяча руками за пределами штрафной площадки. Начальный удар осуществляется только из центра, а угловые удары — из углов, и никак иначе. Поле диктует передвигающимся по нему частицам (игрокам и мячу) определённые правила поведения. Только в физике поле трёхмерное.
Поле, сообщающее массу безмассовыми частицам, похоже на струю сиропа, через которую летит пылинка. Попадая в эту струю, пылинка вязнет и как бы становится тяжелее. Примерно так, по мысли шотландского физика Питера Хиггса, возникает и масса у безмассовых частиц. Этот механизм называется механизмом Хиггса, а поле — полем Хиггса.
Представим россыпь капель на наклонной поверхности. Одна капля покатилась и соединилась с соседней каплей. Покатилась дальше, но не удержалась — опять разбилась на две капли. Потом снова соединилась, снова разбилась и таким образом постепенно добралась из точки А в точку В. Мы не можем точно сказать, та ли это самая капля, ведь за время своего путешествия она несколько раз вбирала в себя другие капли, а затем оставляла частицы себя позади.
Что-то похожее происходит, когда элементарные частицы проходят через поле Хиггса. Они не просто летят насквозь, а как бы обмениваются с полем тем, из чего это поле «состоит». Бозонами Хиггса. Теми самыми.
Это всё — теория, нуждающаяся в экспериментальном подтверждении. Поле Хиггса — некая теоретическая замена вакууму, в котором, как ещё недавно считалось, пребывают элементарные частицы. Единственный способ убедиться в том, что вместо вакуума мы имеем дело с сиропом — «увидеть» хотя бы капельку этого сиропа. Собственно, бозон Хиггса и является такой «капелькой».
Представим себе, что нам надо изучить мяч. Казалось бы, чего проще — повертеть в руках, измерить, взвесить. Но есть условие: мяч находится на стадионе, а мы сидим на трибуне, на самом верхнем ярусе. Всё, что мы можем, — попросить кого-нибудь побросать мяч (вверх, вбок, с подкруткой) и, измерив и проанализировав параметры его движения, определить, насколько он плотный, тяжёлый, упругий и так далее.
Примерно так физики изучают элементарные частицы. Разгоняют их в огромном туннеле при помощи электромагнитов до скорости, близкой к скорости света, сталкивают, а потом смотрят, куда полетели осколки.
Сделать траекторию полёта элементарной частицы видимой позволяют, в частности, пузырьковые камеры — ёмкости с сильно нагретой жидкостью (например, жидким водородом). Вдоль траектории жидкость закипает, получившиеся пузырьки (они светлее самой жидкости) фотографируют с выдержкой. Действующий аналог пузырьковой камеры можно увидеть, например, в музее московского планетария.
У многих ещё в школе возникает вопрос: если мы состоим из мельчайших частиц, то почему не распадаемся? У учителей на этот случай обычно заготовлены отговорки про молекулярные и атомарные связи, но, строго говоря, с точки зрения физики элементарных частиц убедительного и однозначного ответа на этот вопрос нет. Точнее, есть теории, описывающие пресловутые фундаментальные взаимодействия (см. п.2), но в этих теориях полно слабых мест (см. п.3). Обнаружение бозона Хиггса могло бы внести ясность в наши представления о строении Вселенной.
Или вот, например, уравнение E=mc2: оно означает, что чем больше масса объекта, тем сложнее его разогнать до большой скорости. Если теория Хиггса подтвердится, мы поймём, откуда вообще берётся масса и, возможно, научимся ею управлять. И полетим на край Вселенной со скоростью света. Это фантастика, конечно, но почему бы и нет?
Впрочем, если обнаруженная частица окажется никаким не бозоном, если этого бозона и вовсе нет в природе, Вселенная не развалится на кусочки. Есть ведь и «безхиггсовые» теории.
Немного лирики. К нашей теме это отношения не имеет, но удержаться мы не смогли. Так вот, имейте в виду, что, характеризуя некоторые элементарные частицы, учёные-физики (на полном серьёзе!) говорят об их цвете, аромате, очаровании, прелести и истинности. Так-то.