Момент истины в физике элементарных частиц: настал ли конец в 40-летней истории?

Момент истины в физике элементарных частиц: настал ли конец в 40-летней истории?

Пост Стивена Вольфрама (Stephen Wolfram) (опубликован 5.07.2012 г.) посвященный открытию бозона Хиггса на большом адронном коллайдере в ЦЕРН

Нажмите, чтобы скачать данный пост в виде ноутбука Mathematica...

Оригинальный пост:
A Moment for Particle Physics: The End of a 40-Year Story?
Перевод сделал Осипов Р. А.

Объявление ранним вчерашним утром (4 июля 2012 г.) того, что появилось экспериментальное доказательство того, что открыта новая элементарная частица, которая скорее всего является бозоном Хиггса, является в определенном смысле окончанием истории за которой я следил (и иногда даже был ее участником) на протяжении последних 40 лет. В некотором смысле я снова почувствовал себя подростком, слушая о том, что новая частица была открыта. И я снова задавал себе те же вопросы, что и в возрасте 15 лет: “какова ее масса?”, “каков ее путь распада?”, “какова ее ширина распада?”, “как много столкновений?” и пр.

Когда я был подростком в 1970-х, теория элементарных частиц представляла для меня огромный интерес. Мне казалось, что у меня были личные связи со всеми теми видами частиц, которые были приведены в небольшой книге о свойствах элементарных частиц я использовал, чтобы носить с собой. Пи-мезоны и каоны, лямбда-частицы и f-мезоны и так далее. На некотором уровне, однако, все было в беспорядке. Сотни видов частиц, со всевозможными видами детальных свойств и отношений. Но были и теории. Кварковая модель. Теория Редже. Калибровочная инвариантность. Теория S-матриц. Не было ясно, какая из теорий верна. Некоторые теории, казались мелкими и утилитарными, другие казались глубокими и философскими. Некоторые из них были ясными, но скучными. Некоторые казались надуманными. Некоторые были математически сложными и элегантными, другие — нет.

К середине 1970-х годов, однако, большинство знаний и моделей были сведены к тому, что стало называться  Стандартной моделью. В некотором смысле это был набор самых лучших теории. Она казалось немного надуманной, но не чересчур. Она включает некоторую несколько сложную математику, но не самую элегантную или изощренную. Но у нее есть по крайней мере одна примечательная особенность: из всех конкурирующих теорий, она была единственной, которая наиболее широко позволяет проводить необходимые точные расчеты, которые сопряжены со сложными вычислениями, заставившими меня начать использовать компьютеры для того чтобы производить эти вычисления, и направили меня на путь, который привел к Mathematica. Но в то время, как я думаю, сама сложность вычислений, с которыми встретился я и другие, служила тому, чтобы сделать теорию более удобной в работе и сделать ее более обоснованной.

Однако, по крайней мере в первые годы она не переставала удивлять. В ноябре 1974 года было объявлено о открытии J/ψ-мезона. И я задался как и сегодня, теми же вопросами, начинающимися с вопроса “какова его масса?” (Это частица весила 3,1 ГэВ, а та о которой речь идет сегодня — 126 ГэВ). Но в отличие от бозона Хиггса, почти для всех появление J/ψ-мезона было совершенно неожиданным. Сначала было не совсем ясно, чем может быть эта частица. Была ли она свидетельством чего-то по-настоящему фундаментального и захватывающего? Или она была в некотором смысле повторением чего-то, что уже видели раньше?

В моей самой первой опубликованной статье (над которой я лихорадочно работал на Рождество 1974-го года, вскоре после того, как мне исполнилось 15) высказывалось предположение, что эта частица и некоторые относящиеся к ней явления могут быть чем-то поразительным: признаком наличия подструктуры у электрона. Но как бы хороша и интересна не была теория, природа ей не обязана следовать. И в данном случае она как раз и не последовала ей. Явления, которые были вызваны этой частицей имели более прозаичное, чем в статье, объяснение: они являлись признаками дополнительного (4-го) вида кварков (с-кварков или, иначе, очаровательных кварков).

В течение следующих нескольких лет было больше сюрпризов. Растущая гора доказательств показывала, что существует более тяжелый аналог электрона и мюона — тау лептон. Затем в июле 1977 года было сделано еще одно “внезапное открытие”, сделанное в лаборатории Ферми: на этот раз частицы на основе b-кварка. Так случилось, что я проводил лето 1977 года за работой над физикой элементарных частиц в Аргоннской национальной лаборатории, расположенной не далеко от лаборатории Ферми. Смешным было то, что я помню, что было своего такое, как бы это сказать, наплевательское отношение к открытиям. Говорили что-то вроде того: “А, еще одно неожиданное открытие физики элементарных частиц, их будет еще очень много”.

Но, как выяснилось, этого не произошло. На протяжении последних 35 лет когда дело доходило до новых элементарных частиц и т. п. не было ни одной неожиданности (открытие массы нейтрино является некоторым контрпримером, как и различные открытия в космологии). Эксперименты, конечно, находили новые частицы — W и Z бозоны, t-кварки; они подтверждали квантовую хромодинамику. Но все эти частицы и эффекты предсказывались Стандартной моделью, в них не было никаких неожиданностей.

Излишне говорить, что проверка предсказаний Стандартной модели не всегда являлась простым делом. Несколько раз я оказывался на переднем крае этой работы. В 1977 году я, например, вычислил на основе Стандартной модели предсказание значения скорости производства «очарованных» кварков в протон-протонных столкновениях. Но эксперимент позже показал, что реальная скорость была гораздо ниже. Я потратил много времени, пытаясь выяснить, что же может быть неправильно, либо с моим расчетам, либо с теорией. Но в конце концов, в довольно важный момент для моего понимания применения научного метода данной теории, выяснилось, что на самом деле ошибочен эксперимент, а не теория.

В 1979 — когда я был на переднем фронте открытия глюона — произошло почти противоположное. Вера в правильность Стандартной модели к этому моменту стала настолько сильна, что вердикт о соответствии эксперимента теории выносился слишком рано, еще до того, как необходимые расчеты все окончательно подтверждали. Однако снова, в конце концов, все закончилось хорошо, и метод, который я придумал для анализа такого рода экспериментов по-прежнему широко используется и сегодня.

К 1981 году я начал отдаляться от физики элементарных частиц. Это произошло, не в последнюю очередь, из-за того, что я начал работать над тем, что, как я думаю, является чем-то более фундаментальным. Но я до сих слежу за тем, что происходит в физике элементарных частиц. И я много раз был взволнован слухами или официальными объявлениями, о том, что сделано какое-то открытие, которое казалось неожиданным или необъяснимым в рамках Стандартной модели. Но, в конце концов, все эти открытия были скорее разочаровывающими. О каждом открытии есть определенные вопросы, а в открытиях, сделанных в более поздние годы часто наблюдается подозрительная корреляция со сроками принятия решения о их финансировании. В итоге, через некоторое время, обычно каждое из открытий испаряется. В итоге остается только простая Стандартная модель, без каких бы то ни было сюрпризов.

В течение всего этого времени, однако, всегда был один свободно болтающийся конец: бозон Хиггса. Не было ясно только то, как его обнаружить, но если Стандартная модель верна, то он должен существовать.

Бозон Хиггса и связанный с ним механизм Хиггса всегда казался мне неудачной идеей. Стандартная модель начинается с математически весьма чистой первоначальной теории, в которой каждая частица полностью лишена массы. Но на самом деле почти все частицы (кроме фотона) имеют ненулевую массу. Задача механизма Хиггса заключается в том, чтобы объяснить это, не разрушая отличные качества первоначальной математической теории.

Расскажу о том, как работает этот механизм. Каждый вид элементарных частиц в Стандартной модели связан с волнами, распространяющимися в поле, так же, как и фотоны, которые связаны с волнами, распространяющимися в электромагнитном поле. Но почти для всех типов частиц, среднее значение амплитуды соответствующего поля равно нулю. Но для поля Хиггса предполагается иная картина. Можно предположить иное: что существует нелинейная неустойчивость, которая в неявном виде содержится в математических уравнениях которые описывают это поле, что приводит к отличному от нуля среднему значению этого поля во Вселенной.

Затем предполагается, что все типы частиц непрерывно взаимодействуют с полем, таким образом, что это взаимодействие проявляется в том, что частицы имеют массу. Но что же такое масса? Из того что сказано выше следует, что масса определяется тем, как сильно частица взаимодействует с полем, что в свою очередь определяется посредством параметра, который вводится в модель. Итак, чтобы получить наблюдаемые массы частиц, мы должны просто ввести соответствующий параметр для каждой частицы, после чего варьируя его, мы получим ее массу.

Это может показаться надуманным. Но на каком-то уровне это построение вполне нормально. Было бы неплохо, если бы теория предсказывала массы частиц. Но учитывая, что это не так, введение этих параметров в качестве сил взаимодействия кажется таким же разумным, как и все остальное.

Однако, существует еще и другая проблема. Чтобы дать наблюдаемые массы частиц, поле Хиггса, которое существует во всей Вселенной должно иметь крайне высокую плотность энергии и массы. Которая, как мы можем ожидать, будет осуществлять большое гравитационное воздействие, настолько сильное, что оно свернуло бы Вселенную до размеров крошечного шарика. Чтобы избежать этого, мы должны предположить, что существует параметр ("космологическая константа"), встроенный непосредственно в фундаментальные уравнения гравитации, который предотвращает с высокой точностью, эффекты влияния поля Хиггса, связанные с крайне высокой плотностью энергии и массы.

Если это не покажется не достаточно правдоподобным, около 1980 г. я был связан с подмеченной интересной особенностью: параметр, о котором шла речь выше, не может предотвратить эффектов влияния поля Хиггса при очень высоких температурах, которые были сразу после Большого Взрыва. В результате этого эффекта должно наблюдаться замедление  расширения Вселенной. Мои расчеты показали, что это замедление не должно быть очень большим, но распространение теории может в принципе привести к возможности сильного торможения, и следовательно к событиям, происходившим на более ранней стадии жизни всей расширяющейся Вселенной.

В начале 1980-х, казалось, что открытие бозона Хиггса будет совсем скоро, конечно если только в Стандартной модели нет ошибок. Предполагалось, что его масса может составлять примерно 10 ГэВ (около 10 масс протона), что давало возможность обнаружить его на существующих в то время ускорителях, или на ускорителях следующего поколения. Но он так и не был открыт. Каждый раз когда открывался новый ускоритель элементарных частиц, говорили о том, как на нем откроют бозон Хиггса. Но его так и не открыли.

В 1979 г. я, как ни странно, работал над вопросом о том, какие возможные значения масс могут быть у частиц в рамках Стандартной модели. Нестабильность поля Хиггса, применяемая для создания массы приводила к риску сделать всю Вселенную нестабильной. Я обнаружил, что Вселенная потеряла бы стабильность, если существовали бы кварки с массой более чем примерно 300 ГэВ. Это заставило меня очень заинтересоваться t-кварком, который с большой долей уверенности должен был существовать, но тогда еще не был открыт. До тех пор пока в конце концов в 1995 г. не было показано, что его масса составляет 173 ГэВ, что отстоит, на мой взгляд, удивительно недалеко от полной нестабильности Вселенной.

Существовали также некоторые ограничения на массу бозона Хиггса. Сначала они были очень размытыми (скажем, что она должна быть “ниже 1000 ГэВ” и т. д.). Но постепенно они все более жесткими. После того, как было проведено огромное количество экспериментальных и теоретических работ, к прошлому году с достаточной большим основанием можно было утверждать, что его масса должна заключаться между 110 и 130 ГэВ. Так что, в определенном смысле, навряд ли кто-то будет очень удивлен тем, что сегодня объявлено об открытии бозона Хиггса с массой 126 ГэВ. Но очевидно, что открытие бозона Хиггса является весьма важным моментом в истории физики. Это открытие позволяет наконец “привязать” этот, уже 40 лет свободно болтающийся, конец.

Однако, в чем-то я на самом деле немного разочарован. Я не скрывал, даже от самого Питера Хиггса, что мне никогда  особенно не понравился механизм Хиггса. Он всегда казался мне чем то искусственным. Я всегда надеялся, что в конце концов, что-то более изящное и глубокое будет ответственно за столь фундаментальную вещь, как масса элементарных частиц. Но, похоже, что природа просто выбрала простейшее решение проблемы: механизм Хиггса в Стандартной модели.

Стоило ли тратить больше 10 млрд. долларов, чтобы выяснить это? Я определенно думаю, что да. То что получилось, пожалуй, является не самой потрясающей вещью, которая могла бы быть, но не существует абсолютно никакого способа знать, что все будет именно так, как следует из теории, заранее.

Может быть, я слишком привык к современной индустрии технологий, где миллиарды долларов тратятся на деятельность корпораций и всевозможные сделки все время. Но для меня, потратить 10 млрд. долларов, чтобы так далеко продвинуться в исследовании основной физической теории кажется довольно разумным.

Я думаю, что это может быть оправдано хотя бы ради самооценки нашего вида: что, несмотря на все специфические проблемы, мы продолжаем следовать намеченному пути на протяжении сотен лет, планомерно добиваясь прогресса в понимании того, как работает наша Вселенная. И как-то необычайно радостно видеть, что в мире существует эффективное сотрудничество между людьми, которые работают вместе в этом направлении.

В самом деле, то как я следил до самого вчерашнего утра за новостями идущими с большого адронного коллайдера, напомнило мне так сильно о том, как я был ребенком в Англии почти 43 года назад, и до поздней ночи смотрел за посадкой Аполлон-11 на Луну и затем за первыми шагами человека по Луне (телетрансляция  проходила в прайм-тайм в США, но не в Европе). Но я должен сказать, что среди мировых достижений вчерашняя фраза “это эффект 5 сигма” (“it’s a 5 sigma effect”) была явно не такой волнующей, как фраза “Орел приземлился” (“the Eagle has landed”) при посадке Аполлон-11. Честно говоря, эксперимент в области физики элементарных частиц имеет совершенно иной эффект, чем космический полет. Но я не могу избавиться от ощущения некоторой грусти из-за отсутствия какого-то волшебного, ослепляющего эффекта, от вчерашнего сообщения об открытии бозона Хиггса.

Конечно, последние 30, или около того, лет являются долгим и трудным периодом для физики элементарных частиц. Еще в 1950-х годах, когда физикой элементарных частиц начали заниматься всерьез, было определенное чувство благодарности и больших последствий Манхэттенского проекта. В 1960-х и 1970-х годах были сделаны самые яркие открытия в физике элементарных частиц, причем сделаны с большой скоростью. Но к 1980-м годам физика элементарных частиц стала принимать роль устоявшейся учебной дисциплины, из которой все более явно стала происходить “утечка мозгов”. К тому моменту, как в 1993 г. был отменен проект Сверхпроводящего Супер Коллайдера (“The Superconducting Super Collider project”) стало ясно, что физика элементарных частиц потеряла свое особое место в мире фундаментальных исследований.

Лично мне было грустно смотреть на это. Грустно посещать лаборатории физики элементарных частиц после того, как я не был в них 20 лет назад, и, видеть разрушение инфраструктуры, которая, как я помню, была просто потрясающей в свое время. Но, тем не менее, замечательно и восхитительно, что все многотысячное сообщество физиков, работающих в области элементарных частиц, все же сохраняется, и теперь оно привело нас (предположительно) к открытию бозона Хиггса. Но, наблюдая за вчерашним открытием, я не могу избавиться от ощущения, что в этой области настал некоторый кризис.

Я полагаю, что я надеялся услышать что-то, что будет качественно отличаются от того, что физика элементарных частиц говорила мне 40 лет назад. Да, конечно, энергия частиц стала больше,  детектор стал больше, скорость передачи данных стала быстрее. Но с другой стороны кажется, что ничего не изменилось (только разве что кроме нового подхода к работе со статистическими объектами, такими как P-значения). В этой области даже не существует каких-то ярких и запоминающихся динамических изображений открытых взаимодействий частиц, использующих все те современные методы визуализации, которые долго и тяжело разрабатывались такими людьми, как я.

Если Стандартная модель верна, вчерашнее открытие, скорее всего, будет последним крупным открытием, которое может быть сделано на ускорителях элементарных частиц в нашем поколении. Сейчас, конечно, в этой области еще могут быть какие-то сюрпризы, но не ясно, насколько мы можем рассчитывать на то, чтобы их узнать.

Так стоит ли дальше строить ускорители частиц? Как бы то ни было, очевидно, что крайне важно поддерживать те знания, которые существуют сегодня о том, как из строить. Но достигнуть энергий частиц, при которых без всякого удивления мы смело сможем ожидать увидеть новые явления, будет крайне сложно. Я думал на протяжении многих лет, что инвестировать в радикально новые идеи ускорения частиц (например, такие как использование более высоких энергий для разгона меньшего количества частиц) будет гораздо полезнее, хотя такой подход явно несет некоторый риск.

Могут ли будущие открытия в физике элементарных частиц немедленно дать нам какие то новые изобретения или технологии? Какое-то количество лет назад, такие вещи как “кварковые бомбы”, казались потенциально возможными, но, навряд-ли, больше. Да, мы можем работать пучки частиц чтобы использовать их радиационные эффекты. Но я, конечно, не рассчитываю увидеть что-то, вроде мюонных компьютеров, антипротоновых двигателей или систем нейтринной томографии в ближайшее время. Конечно, все может измениться, если каким-то образом кто-то он выяснит (мне кажется что это не так уж и не возможно), как уменьшить и сделать миниатюрным ускоритель элементарных частиц.

На протяжении достаточно долгого времени фундаментальные исследования, как правило, являлись самыми лучшими инвестициями, которые только можно сделать. Вполне возможно, что физика элементарных частиц не станет исключением. Но я склонен думать, что больших технологических прорывов в области физики элементарных частиц стоит ожидать от развития теории, а не проведения экспериментов. Если кто-то сможет понять, как получить энергию из вакуума или передать информацию быстрее скорости света, это, скорее всего, будет сделано на основе применения теории в новом, неожиданном направлении, а не на основе каких-то специфических экспериментальных результатов.

Стандартная модель, безусловно, не является концом физики. В ней существуют, и отчетливо видны, необъясненные ею пробелы. Мы не знаем, почему параметры, такие как массы частиц, такие, какие есть. Мы не знаем как гравитация вписывается в эту модель. А также мы не знаем о том, как объяснить с помощью нее все те вещи, которые мы наблюдаем в космологии.

Но, допустим, мы сможем решить все эти проблемы. Что тогда? Может быть после этого мы найдем в этой области другое множество нерешенных проблем и неясных вещей. Вероятно, на самом деле, всегда будет существовать какая-то новая область физики, которую предстоит открыть и изучить.

Я конечно склонен принять такой подход. Но после моей работы над Новым Видом Науки (“A New Kind of Science”) у меня появилась новая идея, новое понимание этой проблемы. Она заключается в том, что нет ничего, что мешало бы возникнуть всему тому, что существует в нашей Вселенной, из некоторого первоначального правила, некоторой первоначальной теории, которая на самом деле может быть достаточно простой.

Можно многое сказать относительно того, на что может быть похоже данное правило и того, как мы можем его найти. Но то что действительно важно, так это то, что если это правило действительно простое, то на основе фундаментальных соображений, нам, в принципе, не нужно знать слишком много информации, чтобы выяснить как оно выглядит на самом деле.

Я рад, что в некоторых отдельных видах моделей очень низкого уровня, которые я изучал, я уже смог вывести Специальную и Общую теорию относительности, а также смог получить некоторые идеи относительно квантовой механики. Но в физике существует все еще множество вещей, которые мы знаем, но которые мне пока-что не удалось воспроизвести.

Но я подозреваю, что с экспериментальными результатами, которые у нас есть, мы знаем уже гораздо больше, чем требуется для того, чтобы определить, какой вид имеет корректная окончательная теория, в предположении, что эта теория действительно проста. Навряд ли эта теория даст верные значения количества измерений в пространстве и отношения масс мюона к электрону, но при этом даст неверные значения массы бозона Хиггса или какие-то еще не открытые детали.

В настоящее время, конечно, может быть будет обнаружено что-то новое, что сделает более ясным то, как может выглядеть окончательная теория. Но мое мнение заключается в том, что мы, по существу, не нуждаемся в еще большем количестве экспериментальных открытий, нам просто нужно тратить больше усилий и лучше искать окончательную теорию, основанную на том, что мы уже знаем. Причем, скорее всего, правда заключается в том, что стоимость необходимых человеческих и компьютерных ресурсов для продолжения долгосрочных исследований будет гораздо меньше, чем проведение новых экспериментов на ускорителях элементарных частиц.

В действительности, в конце концов может оказаться, что данные, необходимые для того, чтобы разработать окончательную теорию, уже существовали 50 лет назад. Но мы наверняка узнаем об этом только задним числом. Когда мы получим теорию, которая будет с достаточной уверенностью претендовать на имя окончательной теории, разумно будет предложить провести новые эксперименты на ускорителе элементарных частиц. Самым неприятным было бы то, что к тому времени у нас не останется рабочих ускорителей частиц, на которых их можно было бы выполнить.

Физика элементарных частиц была первым моим большим интересом в науке и потрясающе видеть сейчас, спустя 40 лет, что в этой теории достигнута определенная степень ее завершения, а также чувствовать, что все это время, сначала в физике элементарных частиц, а затем со всеми приложениями Mathematica, я мог делать некоторый небольшой вклад в то, что достигнуто теперь.

Блог принадлежит “Русскоязычной поддержке Wolfram Mathematica"©
При любом использовании материалов блога, ссылка на блог обязательна.
Создано с помощью Wolfram Mathematica 8