Почему стоит заниматься физикой элементарных частиц и что будет с ней дальше

В 1969 году Роберта Уилсона, руководившего строительством Фермилаба, вызвали на заседание Объединенного комитета по атомной энергии при Конгрессе США, чтобы помочь сенаторам и представителям нижней палаты понять, для решения каких задач предназначен этот многомиллионный проект. Тот день стал поворотным в истории физики элементарных частиц в США. Манхэттенский проект по разработке атомной бомбы создал у физиков ощущение своего могущества и легкости получения денег на свои проекты. Но сейчас политики задумались, даст ли поиск новых элементарных частиц стране к что-то столь же ценное, как, например, новый вид мощного вооружения. Сенатор Джон Пасторе от штата Род-Айленд прямо спросил Уилсона: «Сможет ли этот ускоритель каким-то образом усилить безопасность страны?», на что Уилсон искренне ответил: «Нет, сэр, не думаю».

Можно представить, как озадачили сенатора слова Уилсона – скорее всего, он ожидал услышать ритуальные заявления о том, что конечно же, лаборатория Ферми сыграет решающую роль в поддержании баланса сил с Советским Союзом. Этот аргумент в те годы срабатывал для обоснования любых капиталовложений, и сенатор переспросил, действительно ли нет вообще никаких надежд на это, и опять Уилсон просто ответил: «Вообще никаких». Но нельзя стать сенатором, не обладая определенным упрямством, и Пасторе предпринял третью попытку получить нужный ответ, и чтобы удостовериться точно, что он правильно понял ответ Уилсона, переспросил еще раз: «Действительно ли ускоритель не представляет никакой ценности в этом отношении?»

Уилсон был достаточно умен, чтобы услышать намек: если он хочет, чтобы Конгресс финансировал его амбициозный, хотя и непонятный многим проект, он должен сказать что-то более весомое. Но Уилсон не отступил от своей первоначальной позиции, и этот его ответ стал одним из самых ярких в долгой истории многочисленных попыток ученых объяснить, почему они делают то, что делают: «Он [ускоритель] имеет отношение только к уважению, с которым мы относимся друг к другу, к достоинству человека, к нашей любви к культуре. Он имеет отношение к тому, насколько мы хорошие художники, хорошие скульпторы, великие поэты. Я имею в виду все, что мы действительно ценим в нашей стране и что делает нас патриотами, и хотя он не имеет ничего общего с защитой нашей страны напрямую, он имеет отношение к тому, ради чего ее стоит защищать».

Большая наука не дешева. БАК стоил около девяти миллиардов долларов, почти все из которых были взяты в конечном счете из налогов, собранных в разных странах по всему миру. Люди, заплатившие эти деньги, имеют право знать, что за них получат, и ученые обязаны быть максимально честными, говоря о пользе фундаментальных исследований. Иногда она, эта польза, проявляется в виде важных технологических открытий. Но в конечном счете самое главное – познание природы, которое становится возможным именно благодаря подобным чрезвычайно амбициозным проектам.

Не все с этим согласны. Стивен Вайнберг, неутомимый сторонник инвестиций в фундаментальную науку, вспоминает показательную историю: «В ходе дискуссии по поводу Сверхпроводящего суперколлайдера (ССК) я был приглашен на радио-шоу Ларри Кинга вместе с конгрессменом, который выступал против строительства ускорителя. Конгрессмен сказал, что он не против расходов на науку, но мы должны установить приоритеты. Я объяснил, что ССК поможет нам узнать законы природы, и спросил, не заслуживает ли эта цель, по мнению конгрессмена, высокого приоритета. Я помню каждое слово в его ответе. Он сказал: “Нет”».

Многие люди придерживаются этой точки зрения, проявляя определенную близорукость: таким образом они упускают более далекую перспективу. Фундаментальная наука не может немедленно усилить национальную оборону или изобрести лекарство от рака, но она обогащает нашу жизнь, открывая нам что-то новое во Вселенной, частью которой мы являемся. И эта цель обладает высочайшим приоритетом.

 

Когда я получу свой реактивный летательный аппарат?

Никто не скажет, что мы не хотим найти полезные технологические применения результатам, получаемым современной физикой элементарных частиц. Ученые любят поговорить о том, что фундаментальные исследования – это научные исследования, осуществляемые только ради чистой науки, а не в погоне за немедленной выгодой. Но очень часто именно фундаментальные исследования приводят к чрезвычайно важным в практическом отношении последствиям, даже если о них вначале и не подозревали. История науки – от изобретения электричества до создания квантовой механики – полна идей, когда-то казавшимимся совершенно абстрактными и непрактичными, а позже определивших технический прогресс.

Можем ли мы представить, что произойдет что-то подобное с исследованиями на БАКе? Как заметил однажды Нильс Бор, точные прогнозы делать очень трудно, особенно по поводу будущего. Тем не менее нужно признать: то, что мы ищем и находим на БАКе, может быть совсем не похоже на фундаментальные открытия физики прошлых веков. Очень вероятно, что из частиц, которые мы обнаружим на БАКе, никогда нельзя будет извлечь пользу для практической жизни.

Это предположение – не просто проявление пессимизма, оно следует из особой природы объектов, которые мы надеемся обнаружить. Когда Бенджамин Франклин изучал электричество или Генрих Герц – радиоволны, они не создавали сущностей, не существующих в природе. Электричество и радиоволны присутствуют везде вокруг нас, даже если выкинуть все искусственные их источники. Ученые в ту эпоху научились лишь манипулировать таинственными явлениями природы, и не удивительно, что обнаруженные ими закономерности позже привели к технологическому прогрессу. На БАКе, напротив, мы заняты в буквальном смысле изготовлением частиц, которых нет в окружающей нас природе, и по понятным причинам. Эти частицы, как правило, очень массивные, и поэтому для их рождения требуется огромные энергии. Они либо столь слабо взаимодействуют с веществом, так что их трудно зарегистрировать и на них трудно влиять (например, нейтрино), или же живут очень недолго и распадутся прежде, чем из них удастся извлечь пользу.

Возьмем в качестве примера бозон Хиггса. Создать его нелегко – как мы знаем, это можно сделать, только построив ускоритель частиц длиной в несколько десятков километров. Возможно, благодаря разным технологическим усовершенствованиям когда-нибудь ученые и создадут карманное устройство, способное достичь таких высоких энергий. Пока никто не имеет ни малейшего представления, как это сделать, но это во всяком случае не нарушило бы законы физики. Но даже если у вас в руках будет карманный – типа iPad – источник бозонов Хиггса, для чего его можно было бы использовать? Каждый произведенный бозон Хиггса распадается меньше чем за цептосекунду. Трудно себе представить какие-либо приложения этих бозонов, в которых не разумнее использовать какие-то другие – более стабильные – частицы.

Этот аргумент, конечно, легко опровергнуть. Мюоны – тоже нестабильные частицы, но им нашлись важные технологические применения: от катализа ядерного синтеза до поиска потайных камер в египетских пирамидах. Но все-таки время жизни мюона составляет около одной миллионной доли секунды – гораздо больше, чем у хиггсовского бозона. Нейтрино – стабильные, но слабо взаимодействующие частицы, и некоторые дальновидные люди думают, что их когда-нибудь будут использовать для коммуникаций. Если бы мы обладали богатым воображением, мы смогли бы сказать, что обнаружим частицы темной материи и найдем им похожее применение. Однако это не тот бизнес, в который я рекомендовал бы вкладывать много денег.

 

Сверхсветовые корабли и левитация

Поскольку бозон Хиггса отвечает за придание частицам массы, люди часто спрашивают: сможем ли мы заставить предметы стать легче или тяжелее, изучив его свойства? Или еще круче. На следующий день после оглашения открытия бозона 4 июля, канадский National Journal напечатал статью с броским заголовком: «Ученые говорят, что открытие бозона Хиггса сделает возможным движение кораблей со скоростью света». Никто из ученых, цитируемых в статье, не сказал ничего подобного, но очень вероятно, что какие-то ученые где-то когда-то и ляпнули такое.

Использование бозона Хиггса для того, чтобы сделать предметы легкими или даже невесомыми – идея абсолютно бессмысленная по нескольким причинам. Наиболее очевидная из них – то, что подавляющая часть массы обычных объектов определяется не бозоном Хиггса, а энергией сильных взаимодействий внутри протонов и нейтронов. Но что еще более важно, массу кваркам и заряженным лептонам на самом деле дает не сам бозон Хиггса, а поле Хиггса, скрывающееся в пустом пространстве. Желая, например, изменить массу электрона, вы должны были бы не шарахнуть по нему хиггсовским бозоном, а изменить значение фонового поля Хиггса.

Легче это сказать, чем сделать. Хотя мы и можем представить себе вероятность изменения поля Хиггса, у нас нет ни малейшего представления о том, как на самом деле это устроить. Кроме того, тут потребуется невообразимая энергия. Предположим, мы нашли способ уменьшить поле Хиггса внутри некоторого небольшого, но макроскопического объема пространства с его обычного значения (246 ГэВ) до нуля. При обычном значении поля Хиггса у него минимальная энергия, и заставить его принять нулевое значение – значит, увеличить энергию в нашем небольшом объеме. Из соотношения E = тc² следует, что этот объем теперь имеет и массу. Быстрый расчет показывает, что область размером с мяч для гольфа, внутри которого поле Хиггса обращено в ноль, будет иметь приблизительно массу Земли! Если бы мы хотели сделать это поле намного больше его обычного значения, небольшой объем сосредоточил бы в себе такую громадную массу, что он весь бы сжался и образовалась бы черная дыра.

Наконец, даже если нам каким-то образом удалось бы выключить поле Хиггса, скажем, внутри нашего тела, это не означало бы, что мы вдруг стали бы легче. Некоторые элементарные частицы станут легче – например, электроны и кварки – и нарушенная симметрия слабого взаимодействия могла бы восстановиться. Но в результате атомы и молекулы в вашем организме образуют совершенно другие конфигурации, скорее всего, просто все распадутся и испустят огромное количество энергии. Уменьшить поле Хиггса – это вам не сесть на диету: не похудеете, а взорветесь.

Так что в ближайшее время не стоит с нетерпением ждать появления устройств для левитации, управляемых с помощью поля Хиггса, однако вполне возможно, что новые открытия на БАКе заложат основу для таких будущих применений, которые мы сегодня не можем себе и представить…

 

«Побочные продукты»

Но иногда исследования в области физики элементарных частиц действительно приносят весьма ощутимую пользу. Эта польза обычно выражается не в виде непосредственного применения только что найденных новых частиц, а в виде побочных продуктов – новых технологий, разрабатываемых для усовершенствования самих экспериментальных установок.

Наиболее известным примером является Всемирная паутина. Тим Бернерс-Ли, работая в ЦЕРНе, изобрел Всемирную паутину, когда искал способы упростить обмен информацией между физиками элементарных частиц. Теперь наш мир просто нельзя представить без Интернета. Но никто никогда не предлагал финансировать ЦЕРН, потому что когда-нибудь в нем будет изобретен Интернет – это произошло, потому что много умных людей собрались вместе и создали мощную интеллектуальную среду. Перед ними стояли сложные технологические задачи, и результатов долго ждать не пришлось.

Есть много других подобных примеров. Потребность ускорителей частиц в уникальных мощных сверхпроводящих магнитах привела к важным достижениям в сверхпроводящих технологиях. Навыки в управлении частицами нашли применение в медицине и других областях науки, например, химии и биологии, а также стерилизации и тестировании пищевых продуктов. Развитие прочных и высокочувствительных детекторов, впервые изготовленных в экспериментах физики элементарных частиц, нашли применение в медицине, измерении уровня радиации и технике безопасности. Невероятно высокие требования к вычислительной мощности и скорости передачи информации привели к важным открытиям в области компьютерных технологий. Список можно продолжать еще долго, но отсюда следует ясный вывод: деньги, ушедшие на поиск частиц, смысл которых понятен лишь высоколобым ученым, потрачены не зря.

Точно оценить эффективность инвестиций в фундаментальные исследования очень трудно. Экономист Эдвин Мэнсфилд показал, что для общества в целом эти инвестиции в действительности весьма прибыльны. Мэнсфилд утверждает, что государственные расходы на фундаментальную науку дают в среднем прибыль 28 %, а такой доход каждый был бы рад получить от своего инвестиционного портфеля. Конечно, эти цифры в лучшем случае предоставляют информацию к размышлению, поскольку детали в значительной степени зависят от того, какие отрасли промышленности учитываются и что понимается под «фундаментальной наукой». Но они укрепляют парадоксальный на первый взгляд вывод: в фундаментальной науке исследования, которые никак не назовешь прикладными, приносят довольно впечатляющие дивиденды.

Но самый важный побочный эффект фундаментальных исследований вообще не связан с технологиями – это вдохновение, которым знание заражает людей всех возрастов. Кто знает, вдруг какой-то ребенок, услышав о бозоне Хиггса, заинтересуется наукой, начнет ее изучать, и в конечном итоге станет врачом или инженером мирового класса? Когда общество инвестирует небольшую часть своего богатства в то, чтобы задавать природе важные вопросы и отвечать на них, оно удовлетворяет неизбывное любопытство, присущее людям, ведь всем нам так хочется узнать, как устроена Вселенная, в которой мы живем!

 

Будущее физики элементарных частиц

Если не считать скупого конгрессмена – оппонента Вайнберга, – большинство людей готовы признать, что изучение законов природы – стоящий проект. Однако возникает разумный вопрос: сколько именно по-вашему он стоит? И в этом смысле судьба Сверхпроводящего суперколлайдера довлеет над всеми, кто думает о будущем физики элементарных частиц. Мы живем в эпоху, когда деньги жестко диктуют, какие проекты жизнеспособны, а какие – нет, и дорогие проекты должны оправдывать себя. БАК является потрясающим достижением, и мы надеемся, что он будет активно функционировать еще в течение многих лет, но в какой-то момент все, чему он может научить нас, мы узнаем. И что тогда?

Проблема в том, что хотя подавляющее большинство достойных научных проектов намного дешевле, чем ускоритель частиц высоких энергий, есть определенные вопросы, которые не решаются без такой машины. БАК стоит примерно 9 миллиардов долларов, и он уже подарил нам бозон Хиггса, а в будущем, надеюсь, даст гораздо больше. Не нужно думать, что если бы на этот проект дали всего лишь 4,5 миллиардов долларов, мы бы обнаружили половину бозона Хиггса или нам бы потребовалось в два раза больше времени, чтобы найти его. Мы просто ничего бы не нашли. Создание новых частиц требует высоких энергий и светимостей, а для этого нужно большое количества высококлассного оборудования и опыта, а все это стоит денег. И сегодня существует вполне реальная угроза того, что прекрасный БАК станет последним ускорителем высоких энергий, построенным при нашей жизни.

Если деньги найдутся, недостатка в соображениях по поводу возможных следующих шагов нет. Энергию самого БАКа можно повысить до больших значений, но это уже будет некоторым паллиативом. Основное внимание направлено на создание нового линейного коллайдера (прямолинейного, а не кольцевого), который бы сталкивал электроны и позитроны. Одно из предложений уже окрестили Международным линейным коллайдером (ILC), его длина должна превышать 32 км, а рабочие энергии – либо 500 ГэВ, либо 1 ТэВ.

Поскольку запланированные значения энергии меньше, чем на БАКе, может показаться, что строительство ILC – шаг назад, но принцип работы электрон-позитронных коллайдеров отличается от принципа действия адронных коллайдеров. Вместо того чтобы разгонять частицы до максимально больших энергий, сталкивать их и смотреть на то, что получится, электрон-позитронные коллайдеры настраиваются именно на ту энергию, которая необходима для получения определенной новой частицы, то есть они идеально подходят для прецизионных измерений. Теперь, когда мы знаем, что масса бозона Хиггса равна 125 ГэВ, весьма заманчиво его исследовать на линейном коллайдере.

Смета расходов на строительство ILC варьировалась от 7 миллиардов до 25 миллиардов долларов, а среди возможных мест его дислокации называлась Европа, США и Япония. Ясно, что проект потребует теснейшего международного сотрудничества, политической хитрости и новейших разработок в области экспериментальной физики. Альтернативный проект – Компактный линейный коллайдер (CLIC) – разработан в ЦЕРНе. Он должен быть короче, но работать при более высоких энергиях из-за применения инновационных (и, следовательно, более рискованных) технологий. В 2012 году два конкурирующих проекта были объединены в один. Возглавлять совместный проект будет Лин Эванс, который после ухода с поста руководителя команды БАКа так и не сумел научиться получать удовольствие от пребывания на пенсии. Задачей Эванса будет принятие решение о наиболее перспективной технологии, а также модерирование конкурирующих интересов различных стран, соревнующихся за право построить у себя новый коллайдер (но не рвущихся платить за это).

Когда вы разговариваете с кем-либо из тех, кто был связан с БАКом, почти всегда одной из первых поднимается тема вдохновляющей роли международного сотрудничества, сложившегося на коллайдере. Ученые и техники разных национальностей, возрастов и профессий собрались вместе, чтобы построить нечто грандиозное. Будущее физики элементарных частиц представляется радужным при условии, что наше богатеющее общество сможет мобилизовать силы и вложить значительные ресурсы в новые научные объекты. А какова будет величина этих инвестиций – решать всему человечеству.

 

Изумление

Интервьюируя своих коллег-физиков в ходе работы над книгой, я был поражен: оказалось, что многие из них, прежде чем окончательно посвятить себя науке, увлекались искусством. Фабиола Джанотти, Джо Инкандела и Сау Лан Ву, – все в молодости изучали изобразительное искусство или музыку. Дэвид Каплан был не последним человеком в киноиндустрии.

И это не случайно. Наше стремление понять, как работает природа, часто дает практические результаты, но не это соображние решающее в привлечении людей к науке. Страсть к науке не носит утилитарного характера, она вырастает из эстетического чувства. Мы открываем для себя что-то новое о мире, и это позволяет нам лучше оценить его красоту. На первый взгляд слабые взаимодействия – сплошной хаос: бозоны – переносчики взаимодействий – имеют разные массы и заряды, и для различных частиц силы взаимодействий разные. Но если копнуть глубже, обнаруживается элегантный механизм: нарушенная симметрия, скрытая от наших глаз полем, пронизывающим все пространство. Это можно сравнить с удовольствием от чтения стихов на языке оригинала после того, как долго довольствовался посредственным их переводом.

Я недавно помогал делать телешоу, в котором авторы пытались объяснить, что такое бозон Хиггса. Когда вы делаете что-то для телевидения, слов всегда недостаточно, нужны убедительные образы. Если вы пытаетесь объяснить что-то про субатомные объекты, единственный способ найти такие запоминающиеся образы – придумать хорошую аналогию. Итак, вот что я придумал: представьте себе маленьких роботов, которые носятся по дну вакуумной камеры. На каждый робот нацеплен парус, но размер парусов у них самый разный – от достаточно большого до совсем маленького. Сначала мы снимаем роботов в откаченной камере, и тогда все они движутся с одинаковой скоростью: если нет воздуха, паруса совершенно бесполезны. А потом мы впускаем в камеру воздух. Теперь роботы с крошечными парусами двигаются быстро, а те, у которых большие паруса, тормозятся и кажутся более вялыми. Надеюсь, аналогия понятна. Роботы представляют собой частицы, а паруса – сила их взаимодействия с полем Хиггса, аналогом которого здесь является воздух. В вакууме, когда нет воздуха, роботы все симметричны и движутся с одинаковой скоростью. Заполнение камеры воздухом нарушает симметрию, как и поле Хиггса. Можно даже продолжить аналогию и сказать, что звуковые волны в воздухе – аналог бозонов Хиггса.

Так как я сам – абсолютный теоретик, никто не хотел мне доверить командование роботами, поэтому я консультировался с некоторыми из моих коллег по Калифорнийскому технологическому институту из отдела техники и воздухоплавания, как все это показать. И они отвечали мне примерно одинаково: «Понятия не имею, что такое бозон Хиггса и хорошая ли это аналогия, но выглядит потрясающе!»

В глубине души наука как раз и является поиском потрясающего – буквального потрясения, которое мы чувствуем, когда впервые понимаем что-то важное. С этим чувством мы все рождаемся, хотя часто теряем его взрослея, когда в нашей жизни начинают доминировать более приземленные проблемы. Однако это спящее в каждом из нас детское любопытство вновь выходит на первый план, когда происходит некое большое событие вроде открытия бозона Хиггса на БАКе. Тысячи людей строили БАК и его детекторы, тысячи людей анализировали данные, которые привели к этому открытию, но принадлежит оно всем, кто интересуется устройством Вселенной.

Мохаммед Яхья ведет блог журнала Nature под названием «Дом Мудрости» – этот блог посвящен науке на Ближнем Востоке. После того как 4 июля состоялся семинар, где объявили об открытии бозона Хиггса, Яхья сделал восторженную запись, подчеркнув интернациональный характер современной наукой: «В то время как люди в арабском мире заняты политикой, революциями, вопросами прав человека и восстаниями, наука говорит с нами всеми на одном языке, и мы становимся единым целым. Только искусству и науке не подвластны никакие границы».

Всего через несколько часов после семинаров 4 июля 2012 года, на которых было объявлено о долгожданном открытии бозона Хиггса, Лина Эванса спросили, что, по его мнению, молодые люди могли бы извлечь из этой новости. Он ответил не задумываясь: «Вдохновение. Такие грандиозные пректы должны всех вдохновлять. Когда мы были молоды, происходило много потрясающих вещей – например, человек достиг Луны. Самое главное – возбудить в юных душах интерес к науке». И создатели БАКа сумели это сделать.

 

Смысл и истина

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.