В июле 2012 года было объявлено, что Большой адронный коллайдер обнаружил доказательства существования бозона Хиггса. Ученые обрадовались. Исследователи аплодируют. Плакали физики. Заядлые поклонники БАК тоже плакали, но все остальные в основном стояли вокруг кофеварки на работе и говорили: «Значит, теперь мы можем путешествовать во времени, верно?»
По одному лишь беглому взгляду на затаившее дыхание освещение в СМИ и фотографии швейцарских физиков, распивающих шампанское, неспециалист может легко понять, что обнаружение бозона Хиггса было большим делом. Но какое отношение это Большое Дело имело к нашим Маленьким Жизням, было немного сложнее ответить. Что именно это означает с практической точки зрения?
Сначала немного предыстории Большого адронного коллайдера (БАК) и экспериментов в целом, которые проводились в Европейской организации ядерных исследований. (Мы обозначим его по аббревиатуре ЦЕРН, что, честно говоря, имеет смысл, если вы используете старое название организации и говорите по-французски.) В двух словах, БАК разгоняет протоны почти до скорости света, а затем разбивается. их вместе. Столкновение приводит не к Большому взрыву, а к крошечному маленькому взрыву - очень маленькой версии того, что было через несколько секунд после возникновения Вселенной.
В те моменты, когда протоны сталкиваются, они не просто отскакивают друг от друга. Энергия образовавшегося взрыва позволяет нам увидеть гораздо более тяжелые частицы. Они чрезвычайно быстротечны и распадаются на другие частицы за микросекунды. Но именно эти крохотные обломки могут дать ответы на очень большие вопросы физики. Бозон Хиггса - одна из таких частиц, и она поставила ученых на колени.
Бозон Хиггса не «объясняет» физику и не является ключом к пониманию Вселенной. Если бы физика была гигантской головоломкой, обнаружение бозона Хиггса могло бы помочь нам установить, что в головоломке есть изображение лодки, но оно по-прежнему не собирает все части воедино или даже не дало бы нам знать, является ли лодка предметом. или сколько штук. Возможно, это кажется немного разочаровывающим для чего-то, что иногда называют «частицей Бога», что может объяснить, почему физики слышат этот термин и вздрагивают. Хиггс может быть самым важным физическим открытием нашего поколения, но это не значит, что мы выяснили, почему мы здесь или что за этим стоит.
Но хватит о том, чем Хиггс не является. Прежде чем мы перейдем к практическим «использованиям», которые могут быть получены в результате его открытия, давайте рассмотрим интересные вещи, о которых говорит бозон Хиггса.
Самый очевидный ответ на то, что до сих пор сделал для нас бозон Хиггса, состоит в том, что он предоставляет доказательства существования поля Хиггса. И прежде чем хмуриться, горько пожалуйтесь на этот отговорочный ответ и пригласите нас присоединиться к вашему клубу тавтологов, выслушайте нас. Физики долго пытались объяснить, почему их уравнения имеют смысл только в том случае, если определенные частицы не имеют массы, хотя на самом деле рассматриваемые частицы имеют наблюдаемую массу.
Их теория заключалась в том, что существует поле Хиггса: смесь бозонов Хиггса, придающая массу элементарным частицам. Дело не в том, что бозоны кормили частицы большим количеством крахмала и жиров; дело было в том, что само поле, которое полностью пронизывает Вселенную, замедляло движение частиц, позволяя им слипаться и создавать материю. Подумайте о мраморе, быстро вращающемся вокруг наклоненной формы для торта. Добавьте в кастрюлю толстый слой муки, и вдруг мрамор начнет пробиваться сквозь зерна.
Вы можете понять, почему это решение было привлекательным. Красивые уравнения не нужно было менять, потому что частицы по-прежнему могли быть безмассовыми, при этом признавая, что они каким-то образом набирали массу.
Вот где сошлись теория и эксперимент. Разделив протоны на части, чтобы изучить событие, подобное Большому взрыву, ученые смогли найти частицу, которая действовала так, как, по их предсказанию, должен был действовать бозон Хиггса. Другими словами, в течение периода времени, который мы могли бы назвать лишь долей секунды, физики могли наблюдать, как часть обломков взрыва следовала по определенному пути, что указывало на то, что его поведение отличалось от поведения известных частиц. У него была масса и характер распада, которые выделяли его в ряду возможных подозреваемых в Хиггсе.
Как мы уже говорили ранее, обнаружение бозона Хиггса в первую очередь означало, что теперь у нас есть доказательства существования поля Хиггса. (В конце концов, чтобы доказать, что пляж существует, нужна хотя бы одна песчинка.) И доказательство существования поля Хиггса было огромным шагом к объяснению того, как Вселенная приобретает массу.
Хотя важно помнить, что бозон Хиггса придает массу только элементарным частицам, таким как электроны и кварки, это не означает, что для нас с вами все равно. Суть вопроса вот в чем: без существования бозона Хиггса Вселенная не смогла бы образовывать атомы и молекулы. Вместо этого электроны и кварки просто пролетали бы со скоростью света, как фотоны. Они никогда не смогут образовать какую-либо составную материю. Таким образом, Вселенная была бы безмассовой. Мы бы не существовали, как и все, что бы мы ни признавали.
Нахождение бозона Хиггса также во многом объясняет, почему Стандартная модель - передовая теория физики, описывающая мельчайшие частицы Вселенной - верна. Были обнаружены все частицы, предсказанные в Стандартной модели, за вычетом бозона Хиггса. Таким образом, открытие бозона Хиггса имеет большое значение для подтверждения того, что теория находится на правильном пути.
Но помните, мы говорили о том, что у вас есть только представление о предмете нашей головоломки? Завершение Стандартной модели может позволить нам сложить воедино больше кусочков головоломки, но это не означает завершение самой головоломки. Это потому, что Стандартная модель не дает нам никакого описания гравитации и не отвечает ни на один из наших вопросов о темной материи и темной энергии - а они составляют колоссальные 96 процентов нашей Вселенной. Таким образом, просто сказать, что мы выяснили, что бозон Хиггса существует, что подтверждает Стандартную модель, на самом деле не дает нам гораздо больше, чем целую кучу новых идей о том, что существует за ее пределами.
Хуже того, одна из этих идей - суперсимметрия - быстро выдыхается из-за открытия Хиггса. Суперсимметрия утверждает, что у каждой фундаментальной частицы есть суперпартнер, который объединяет силу и материю и даже может быть основой темной материи или энергии. К сожалению, БАК не находит этих суперпартнеров, хотя предсказания показывают, что он должен быть в состоянии их обнаружить. Таким образом, одно практическое «использование» бозона Хиггса заключается в том, что это может заставить ученых переосмыслить теории, выходящие за рамки Стандартной модели.
Но пока не считайте себя дураком судьбы. Помните, что, когда электромагнитные волны были впервые обнаружены в 19 веке, мы не знали, что они в конечном итоге помогут нам слушать бейсбольный матч, взрывать замороженный буррито или позволят нам смотреть на наши айфоны весь день. Хотя открытие бозона Хиггса, возможно, пока не имеет каких-либо заметных применений, они могут быть всего лишь одной «Эврикой!». далеко.
Примечание автора: нашел ли БАК какое-либо практическое применение бозону Хиггса?
Я хотел бы верить, что открытие Хиггса действительно делает больше, чем просто подтверждает Стандартную модель. Было бы здорово, если бы мы нашли способ, скажем, для бозона Хиггса добавить массу другим вещам, которым, по нашему мнению, нужна масса. Как слишком жидкие соусы маринара. Все возможно!