Физика элементарных частиц может найти свои корни аж в учениях атомистов Древней Греции и Рима. Для таких философов, как Левкипп, Демокрит, Эпикур и Лукреций, представление о природе было основано на том, что материя и энергия – различные формы, которые принимают комбинации небольшого числа фундаментальных начал, атомов. Мыслители Античности не были учеными в современном смысле этого слова, но некоторые их идеи очень хорошо согласуются с нашим сегодняшним пониманием Вселенной.

Древний мир не знал придуманных нами строгих границ между разными академическими дисциплинами, которые преподаются в современных университетах. Ученые прошлого были философами, и наряду с материальной реальностью интересовались и этикой, смыслом жизни. Что касается их представлений об атомах, с нашей сегодняшней точки зрения не все их выводы правильны (например, неделимость атомов), но многие по-прежнему остаются актуальными. Они пытались руководствоваться логическими выводами из своего атомистического подхода к устройству мира. Если реальность есть просто взаимодействие атомов, где мы должны искать цель и смысл жизни? Эпикур, в частности, отвечая на эти вопросы, говорил, что ценность имеет именно та жизнь, которую мы проживаем здесь, на Земле, и призывал своих последователей оставаться спокойными перед лицом смерти, высоко ценить дружбу и находить удовольствие в умеренности.

Наука в конечном счете – описательный род деятельности, а не рекомендательный. Она рассказывает о том, что происходит в мире, а не то, что должно произойти или как относиться к тому, что происходит. Знание массы бозона Хиггса не делает нас лучше и не указывает, каким видом благотворительности заняться. Но наука может нам преподать два важных жизненных урока.

Первый урок состоит в том, что мы являемся частью Вселенной. Все в организме человека успешно описывается Стандартной моделью физики элементарных частиц. Более тяжелые элементы, которые имеют столь важное значение для нашей биохимии, были сформированы внутри звезд в процессе ядерного синтеза. Карл Саган это прекрасно сформулировал: «Мы все сделаны из звездного вещества». Мы знаем, что наши атомы подчиняются Стандартной модели, но это не очень помогает, когда речь идет о проблемах реального мира – политике, психологии, экономике или любви, однако все идеи, которые возникают в этой связи, должны по крайней мере, не противоречить тому, что мы знаем о поведении элементарных частиц.

Мы являемся особенной частью Вселенной, у которой выработалась замечательная способность: мы имеем возможность отображать Вселенную в своей голове. Мы – материя, которая рассматривает себя. Как это получается? Физика элементарных частиц тут не дает нам ответа, но она – основной компонент главной теории, в которой этот ответ появится. С открытием бозона Хиггса наше понимание физики, лежащей в основе повседневной реальности, стало более полным. И это огромное достижение в интеллектуальной истории человечества.

Другой урок, который преподносит нам наука, состоит в том, что природа не позволяет нам обманывать себя. Наука начинается с предположений, которые для солидности называют «гипотезами», а затем эти предположения проверяются путем сравнения с экспериментальными данными. Процесс может занять несколько десятилетий и даже больше, и всем известно, что выбрать то, что является «лучшим объяснением экспериментальных данных», – всегда сложно. Но в конечном счете за экспериментами остается последнее слово. Не имеет значения, насколько красива ваша идея, сколько наград вы получили или каков ваш IQ, но если ваша теория противоречит экспериментальным данным – она неверна.

В этой ситуации есть одна плохая новость и одна хорошая. Плохая новость заключается в том, что наука – вещь очень сложная. Природа беспощадна, и большинство создаваемых учеными теорий оказываются неверными. А вот хорошая новость: природа, как строгий пастух, постепенно подталкивает нас к идеям, которые никогда бы не пришли нам в голову путем лишь умозрительных рассуждений. Перефразируя Сидни Коулмана, можно сказать, что тысяча философов, думая хоть тысячу лет, никогда бы не изобрели квантовую механику. И только потому, что результаты экспериментов порой загоняют нас в угол, мы решаемся изобретать столь странные и противоречащие здравому смыслу схемы, которые и формируют современную физику.

Трудно себе представить, что человек, живший тысячелетия до нас, однажды посмотрев на Солнце и задумавшись, отчего оно светит, после некоторых размышлений сказал: «Даю голову на отсечение, что большая часть массы Солнца образована частицами, которые могут врезаться друг в друга и слипаться, при этом одни из них – частицы первого типа – преобразуются в частицы другого типа и испускают частицы третьего типа, которые были бы безмассовыми, если бы не было поля, заполняющего пространство и нарушающего симметрию, отвечающую за соответствующие силы. А при слиянии пары частиц первых двух типов высвобождается энергия, которую мы в конечном счете и воспринимаем как солнечный свет». Но именно это и происходит на Солнце! Прошло не одно десятилетие, прежде чем процессы, идущие на нашей звезде, стали ясны, и этого никогда бы не произошло, если бы люди постоянно не искали объяснения самых различных опытов и наблюдений.

Бывает так, что экспериментальные данные направляют нас на правильный путь, и наука вдруг совершает невероятный прыжок в будущее. В 1960-х годах физики построили единую теорию электромагнитных и слабых взаимодействий, основанную на некоторых общих принципах, подтвержденных предыдущими экспериментами, и конкретных наблюдениях – таких как отсутствие безмассовых бозонов-переносчиков слабого взаимодействия. В рамках этой теории было сделано предсказание: должна существовать новая массивная частица, бозон Хиггса, который определенным образом взаимодействует с уже известными частицами. В 2012 году – через целых сорок пять лет после выхода в 1967 году статьи Стивена Вайнберга, в которой были собраны вместе все ингредиенты этой теории – это предсказание сбылось. Человеческий интеллект, руководствуясь подсказками природы, смог понять глубинный механизм работы Вселенной. И мы надеемся, что в ближайшие годы этот прорыв позволит нам узнать еще больше.

Когда я беседовал с Джоан Хьюэтт о том, какие качества обеспечивают успех в науке, она все время повторяла одно слово: настойчивость. От отдельных ученых требуется настойчивость, чтобы доводить трудные задачи до конца, а общество в целом должно быть готово поддержать дорогостоящие долгосрочные проекты, призванные решать тяжелейшие научные задачи. В работе по расшифровке структуры реальности сливки уже сняты. Легкая жизнь закончилась.

Вопросы, с которыми мы сталкиваемся, нелегки, но если недавняя история чему-то учит, к победе нас должно привести сочетание упорной работы со случайными вспышками озарения. Построение Стандартной модели, может быть, и закончено, но перед нами по-прежнему стоит задача понять остальную часть реальности. И будь это не столь трудно, наша жизнь не была бы так увлекательна.

Первое, что мы всегда слышим о поле Хиггса, – это то, что оно наделяет массой другие частицы. В этом Приложении мы собираемся несколько более подробно, чем в основном тексте, объяснить, что это значит. Все эти пояснения ни в коей мере не являются необходимыми, но кое-что могут прояснить.

Итак: зачем нам нужно поле, чья функция заключается в том, чтобы дать массу другим частицам? Почему частицы не могут получить массу без него?

Конечно, легко представить, что частицы становятся массивными, вообще не вводя поля Хиггса. Но частицы Стандартной модели – частицы особого типа, и из-за этого такое с ними произойти не может. Есть два различных набора частиц, которые получают массу с помощью поля Хиггса: W– и Z-бозоны – переносчики слабых взаимодействий, и электрически заряженные фермионы (электрон, мюон, тау-частица, и все кварки). Бозоны получают массу немного иначе, чем фермионы, но основной механизм в обоих случаях один и тот же: имеется симметрия, которая, как нам представляется, запрещает вообще иметь какую-любую массу, а поле Хиггса нарушает эту симметрию. Чтобы понять, как это происходит, мы должны поговорить о спине элементарных частиц.