Книга В поисках частицы Бога - Иэн Сэмпл

Поездка в Принстон оказалась не простым академическим визитом. Она выдвинула Хиггса в центр внимания научного сообщества и положила начало крупнейшей охоте в истории современной физики. Охоте с использованием установок, стоящих миллиарды долларов и занимающих десятки километров подземных туннелей, и тысяч ученых, десятилетиями пытающихся найти частицы, на которых строится теория Хиггса. Мантра этих ученых проста: найдем частицы Хиггса, и тайна возникновения массы будет раскрыта...

На протяжении веков мыслители даже не представляли, что масса существовала не всегда, по крайней мере в современном смысле слова. Слово “масса” описывало то, сколько вещества, материи находилось в предмете, а слово “материя” являлось не более чем красивым термином для обозначения вещества. Кусок горной породы обладал большей массой, чем буханка хлеба такой же величины (если только у пекаря не случился неудачный день), и этим было все сказано. Понятие массы было настолько интуитивно ясно и осязаемо, что никто всерьез над ним и не размышлял.

Смутное и неполное понятие массы, возникшее в древности, было развито в Средние века. Эгидий Римский (Жиль де Ром), выдающийся теолог и один из самых влиятельных мыслителей конца XIII века, сделал важный концептуальный шаг, проведя различие между размером объекта и количеством вещества, содержащегося в нем2. Глыба льда, к примеру, явно изменяла форму, когда сначала, растаяв, превратилась в воду, потом, испарившись, превратилась в пар, который затем, сконденсировавшись, замерз и снова превратился в твердый кусок. Тем не менее, как говорил Эгидий, количество вещества на всех этапах превращений оставалось прежним. Это наблюдение, несомненно сделанное в процессе оживленной богословской дискуссии о пресуществлении (превращении хлеба и вина в Тело и Кровь Христову), отражает современные определения объема и массы.

В начале XIV века на понятие массы обратил внимание парижский философ Жан Буридан. Он описывал, как ведет себя подброшенный объект, если ему придать импетус (что-то вроде импульса), зависящий от того, сколько вещества этот предмет содержит, и скорости, с которой он был подброшен3. В XVI веке немецкий астроном Иоганн Кеплер пошел еще дальше — он утверждал, что планеты движутся по стационарным орбитам, а не носятся, сталкиваясь, по всему пространству, как бильярдные шары, благодаря инерции, возникающей из-за их огромных масс.

Несмотря на гениальные прозрения философов и астрономов прошлого, термин “масса” не использовался систематически до 1687 года, когда Исаак Ньютон заложил основы классической механики в своей великой книге “Principia” (“Начала”)4. По Ньютону, масса — количество материи, зависящее от объема и плотности объекта. Масса объекта определяет его инерцию или сопротивляемость при воздействии на него, а также то, насколько сильно он подвержен силе тяжести. С помощью этих определений Ньютон сформулировал основные законы движения.

Однако у Ньютона было гораздо более глубокое и интуитивное представление о массе и материи, чем то, что он описал в “Principia”. Он считал, что объекты, существующие в мире, состоят из бесчисленных крошечных частиц, созданных Богом, которые никогда и никем не могут быть разрушены. Частицы, имеющие различные формы и размеры, собираются вместе, образуя различные материалы. Все, что человек способен сделать, — это научиться придавать новые формы конгломератам исчезающе малых частиц.

Почти через двадцать лет после публикации “Начал” Ньютон позволил себе порассуждать на тему природы материи в своем следующем великом трактате — в “Оптике”. Он писал: “Я думаю, Бог вначале создал вещество из твердых, массивных, непроницаемых, подвижных частиц... настолько твердых, что они никогда не распадутся на куски и не износятся”5. Размышления Ньютона о материи были не так уж далеки от истины. И сегодня ученые представляют материю состоящей из частиц, которые практически не поддаются разрушению. Физикам потребовалось более полувека, чтобы выяснить, из каких основных строительных блоков собираются атомы. Различные комбинации этих блоков дают разнообразие химических элементов Периодической таблицы — атомов, из которых образуются различные вещества: металлы, кристаллы, жидкости и газы. Соединяясь друг с другом, атомы образуют бесконечное разнообразие молекул.

Ученые называют основные строительные блоки материи фундаментальными или элементарными частицами; по определению их нельзя разбить на более мелкие части. Первая такая частица была обнаружена в 1897 году Дж. Дж. Томсоном в Кавендишской лаборатории в Кембриджском университете6. Томсон, как и многие физики того времени, был заинтригован природой светящихся лучей, которые возникали в стеклянной трубке, заполненной газом при низком давлении, когда напряжение подавалось на электроды, расположенные внутри трубки. Таинственные лучи выходили из катода, отрицательно заряженного электрода, и шли на анод, электрод, заряженный положительно.

Томсон начал серию экспериментов по исследованию этих загадочных “катодных лучей”. В одном эксперименте он использовал 15-дюймовую стеклянную трубку, покрытую с одной стороны фосфоресцирующей краской. Томсон изменил форму анода, проделав в нем щель, поэтому часть лучей, выходящих из катода, должна была пройти через эту щель и, попав на люминофор, высветить на нем яркое пятно. А потом Томсон вставил в стеклянный сосуд на пути лучей второй набор электродов, распоолложенных в перпендикулярной по отношению к лучам плоскости. Подключив эти электроды к гальваническому элементу, ученый обнаружил, что пятно отклонилось от центра в сторону положительного электрода второй пары.

Дальнейшие эксперименты показали, что катодные лучи представляли собой поток крошечных отрицательно заряженных частиц. Томсон назвал их электронами (термин, введенный ирландцем Джорджем Джонстоном Стоуни за двадцать лет до этого) и предположил, что они являются непременными элементами всех известных ученым атомов. Вдохновленный своим открытием, Томсон предложил модель атома, прозванную “сливовым пудингом”: в соответствии с ней атомы представляют собой положительно заряженные шарики, напичканные крошечными отрицательными частицами — электронами.