Работа Гейзенберга была первым настоящим вариантом квантовой механики, а вскоре появился на свет и второй. В преддверии Рождества 1925 года австрийский физик Эрвин Шрёдингер, тогда работавший в Университете Цюриха, снял на несколько недель живописный заснеженный домик в Австрийских Альпах. Там он начал работать над собственной квантовой теорией. Шрёдингер, как всегда, пригласил с собой в путешествие свою старинную подругу, оставив жену Анни дома47. Анни была не из тех, кто любит жаловаться, да и Шрёдингер для нее всегда был выше критики. Кроме того, у нее тоже был любовник — ближайший друг и коллега мужа по университету математик Герман Вейль.
Шрёдингер использовал совершенно иной подход, чем Гейзенберг. Его отправной точкой была идея, выдвинутая годом ранее французским физиком Луи де Бройлем, который утверждал, что электроны ведут себя как волны48. Шрёдингер провел в трудах все рождественские каникулы — каждый шаг вперед давался ох как нелегко! 27 декабря он написал своему другу мюнхенскому физику Вилли Вину, лауреату Нобелевской премии 1911 года: “На данный момент я борюсь с новой атомной теорией. Если бы я знал лучше математику! Однако я настроен весьма оптимистически в отношении этой штуки и рассчитываю, что, если только... смогу справиться с ней, будет очень красиво”.
Ко времени возвращения в Цюрих Шрёдингер превратил расплывчатую концепцию де Бройля в новую версию квантовой механики. Вместо непонятных гейзенберговских матриц Шрёдингер в своей теории использовал известное физикам уравнение, очень похожее на волновое. Впервые ученые получили точную квантовую формулу, которую они могли бы использовать для описания частиц в любом атоме или молекуле. (Кем бы ни была спутница Шрёдингера в то Рождество, трудно удержаться и не поразмышлять, на такое ли романтическое приключение она рассчитывала...)
Появление двух версий квантовой механики привело к тому, что новая эра в физике началась некрасиво49. Между Гейзенбергом и Шрёдингером всегда существовала неприязнь. Увидев матричную механику, Шрёдингер сказал, что ее вид “обескуражил, если не отвратил его”. Оценка Гейзенбергом теории Шрёдингера, известной под названием “волновая механика”, была не более лестной: “Чем больше я думаю о ней... тем более отталкивающей ее нахожу”. Теории раскололи физическое сообщество на два враждующих лагеря, причем без серьезной на то причины. Выяснилось, что, хотя теории выглядели на бумаге очень разными, по существу они различались мало. Математик может вывести одну из другой. Судьба оказалась более благосклонной к теории Шрёдингера, и она была принята большинством физиков — не в последнюю очередь потому, что математический аппарат, использованный в ней, был им уже хорошо знаком.
При всей своей красоте уравнение Шрёдингера имело существенный недостаток. Казалось, оно не согласуется со специальной теорией относительности Эйнштейна, которая совершила революцию в умах ученых в 1905 году. Недостаток был серьезным: если использовать уравнение Шрёдингера для описания частиц с очень большими энергиями, движущимися со скоростью, близкой к скорости света, результаты будут заведомой чушью.
Объединение квантовой механики с теорией относительности считается одним из наиболее важных достижений физики XX века. Эту заключительную высоту взял Поль Дирак, сын эмигранта из Швейцарии, который изучал инженерное дело в Бристольском университете на год раньше Томаса Хиггса50. Когда Томас Хиггс переехал в Ньюкасл и начал работать на Би-би-си, Дирак был приглашен в Кембриджский университет и там с головой погрузился в изучение работ Эйнштейна и пионеров квантовой механики — Гейзенберга и Шрёдингера.
В конце 1927 года в возрасте 25 лет Дирак вывел уравнение, которое многие физики считают одним из самых красивых в истории науки. Его и сейчас можно увидеть высеченным на мемориале Дирака в Вестминстерском аббатстве. Оно примирило квантовую механику с теорией относительности, а также объяснило важное свойство электронов — спин (магнитный момент). Уравнение даже содержало намек на существование частиц с таким загадочным свойством, как отрицательная энергия (масса). Несколько лет спустя, в 1932 году, Карл Андерсон, физик из Калифорнийского технологического института, подтвердил озадачившее всех предсказание Дирака, открыв положительно заряженные электроны — позитроны. Это был первый пример того, что мы сейчас называем антиматерией51.
Дирак — неудавшийся инженер, ставший выдающимся физиком, — совершил один из величайших переворотов в истории квантовой механики52. В это время Фримен Дайсон был маленьким мальчиком и жил в Винчестере, в Южной Англии. Позже, когда он вырос и сам стал ученым, он возвел Дирака на пьедестал. Его открытия Дайсон описывал так: “В великих работах других пионеров квантовой физики было больше изъянов, они были менее совершенными. Его великие открытия были похожи на изысканные мраморные статуи, падавшие с неба одна за другой. Казалось, он был в состоянии сотворить чудо — вывести законы природы из чистой мысли, и именно эта его способность сделала его уникальным”.
Благодаря работам Дирака стало возможно описание всех известных в настоящее время видов материи во Вселенной. Его открытия позволили физикам разработать “квантовую теорию поля”, определившую поведение электронов и фотонов, и создать Стандартную модель, описывающую все известные сегодня элементарные частицы.
Работа на Би-би-си означала каждодневную готовность переезда туда, где вы нужны в тот или иной момент. Через год после рождения Питера семья Хиггса перебралась в Бирмингем, а затем вернулась в Бристоль, куда Хиггсы прибыли за несколько дней до бомбардировки в Страстную пятницу 1941 года. Когда руководство Би-би-си снова перевело Томаса Хиггса в другое отделение, Питер и его мать остались в Бристоле. Там Питер поступил в Котамскую городскую среднюю школу, которая оказала на него большое влияние, в частности при выборе специальности.
Когда Великобритания вступила во Вторую мировую войну, Питер Хиггс решил пойти по стопам своего отца. Он любил языки, и больше всего ему нравились математика и химия, а уроки физики он считал неинтересными. Это было вызвано в основном тем, что многие из молодых и более продвинутых преподавателей ушли на фронт, и Питер и его одноклассники попали в руки старых, закосневших в рутине учителей. Когда дело дошло до сдачи экзаменов на аттестат, Хиггс получил награды по английскому, французскому, латыни, математике и химии — только в физике он не преуспел.
День в школе обычно начинался с утреннего собрания. Хиггс привык стоять в задних рядах, где коротал время за чтением имен, выбитых на огромном стенде, занимавшем большую часть стены. То были имена самых известных выпускников школы. Как-то Питер заметил, что одно имя значилось среди отличников по разным дисциплинам. Это был Поль Дирак, единственный лауреат Нобелевской премии, когда-либо закончивший это учебное заведение. Символично, что, когда Хиггс поступал в школу, ее директор собирался в отставку, а когда Дирак заканчивал школу, он только что занял этот пост.
Хиггс восхищался Дираком. Своей страстью к физике Хиггс обязан Дираку больше, чем любому из отцов-основателей квантовой механики. В школе его учитель английского языка призывал читать больше, особенно популярные книги Артура Эддингтона, Джеймса Джинса и Альберта Эйнштейна.
Одна из историй, описанная Эддингтоном, произошла 29 мая 1919 года, за десять лет до рождения Хиггса53. У Эддингтона созрел гениальный план. Он понял, что природа сама дает способ проверки общей теории относительности Эйнштейна, которая утверждает, что массивные объекты создают гравитационные поля, искривляя пространство вокруг себя. Эддингтон быстро собрался и отправился в плавание на крошечный остров Принсипи у западного побережья Африки. Он и его коллеги прибыли как раз вовремя, чтобы стать свидетелями полного затмения Солнца.
Солнце имеет большую массу, чем все остальные небесные тела в Солнечной системе. Если бы это было не так, планеты вращались бы вокруг другого небесного тела. Если Солнце действительно искривляет пространство, то, когда Луна на короткое время затмит Солнце, эффект должен проявиться в сдвиге в обычном расположении звезд. Звезды, конечно, останутся на своих местах, но лучи света, испускаемые ими, вслед за пространством также искривятся, проходя вблизи Солнца, что и создаст видимость сдвига звезд. Так оно и получилось. Наблюдения Эддингтона были опубликованы через год, и на первых полосах всех газет появились сообщения об убедительном доказательстве теории Эйнштейна.
