Источник http://plakhov.livejournal.com/189203.html
Можно поспорить на крупную сумму, что большинство из вас (в том числе и
люди, интересующиеся наукой) не очень хорошо представляют себе, что же
такое нашли физики на большом адронном коллайдере, почему они это так
долго искали, и что будет дальше.
Поэтому небольшой рассказ о том (внимание, применяю особую SEO-магию),
что такое бозон Хиггса.
Начать
нужно с того, что люди вообще очень плохо умеют представлять в уме, что
творится в микромире, на масштабе элементарных частиц. Скажем, многие
со школы представляют себе, что электроны - такие маленькие желтые
шарики, вроде мини-планет, вращающихся вокруг ядра атома, а то похоже на
ягоду малины, составленную из красных и синих протонов-нейтронов. Те,
кто немного знаком с квантовой механикой по популярным книгам,
представляют элементарные частицы в виде этаких размытых облачков. Когда
нам пишут, что любая элементарная частица одновременно является
волной,
мы представляем себе волны на море (или в океане): поверхность
трехмерной среды, которая периодически колеблется. Если нам сказать, что
частица представляет собой событие в некотором
поле, мы представим себе поле (что-то такое гудит в пустоте, как трансформаторная будка).
Всё
это очень плохо. Слова "частица", "поле" и "волна" крайне плохо
отражают реальность, и представлять их себе нельзя никак. Какой бы
визуальный образ ни пришел вам в голову, он будет неверным и будет
мешать пониманию. Элементарные частицы не являются чем-то, что в
принципе можно увидеть или "пощупать", а мы, потомки обезьян, рассчитаны
на то, чтобы представлять себе только такие вещи. Неправда, что
электрон (или фотон, или бозон Хиггса) "являются одновременно частицей и
волной"; это нечто третье, для чего слов в нашем языке никогда не было
(за ненадобностью). Мы (в смысле, человечество) знаем, как они себя
ведут, мы можем производить какие-то расчеты, мы можем устраивать с ними
эксперименты, но мы не можем подобрать для них хороший мысленный образ,
потому что штуки, хотя бы примерно похожие на элементарные частицы, на
наших масштабах не встречаются вообще.
Профессиональные физики и
не пытаются визуально (или как угодно ещё в терминах человеческих
чувств) представлять себе то, что творится в микромире; это плохой путь,
он никуда не ведет. У них постепенно вырабатывается некоторая интуиция
насчет того, какие там объекты обитают, и что с ними случится, если
сделать то-то и то-то, но непрофессионал вряд ли сможет её
продублировать.
Так, надеюсь, вы больше не думаете о маленьких
шариках. Теперь о том, что же все-таки искали и нашли на Большом
Адронном Коллайдере.
Общепринятая теория того, как устроен мир на
самых маленьких масштабах, называется Стандартная Модель. Согласно ей,
наш мир устроен так. В нём есть несколько принципиально разных типов
вещества, которые различными способами взаимодействуют друг с другом. О
таких взаимодействиях иногда удобно говорить как об обмене некими
"объектами", для которых можно измерить скорость, массу, можно разогнать
их или столкнуть друг с другом и т.п. В каких-то случаях удобно
называть их (и думать о них) как о частицах-переносчиках. Таких частиц в
модели 12 разновидностей. Напоминаю, что всё, о чем я сейчас пишу, все
равно неточно и профанация; но, надеюсь, всё же гораздо меньшая, чем
сообщения большинства СМИ. (Например, "Эхо Москвы" 4-го июля отличилось
фразой "5 баллов по шкале сигма"; знающие оценят).
Так или иначе,
11 из 12 частиц Стандартной модели уже наблюдались ранее. 12-я - бозон,
соответствующий полю Хиггса - то, что придает многим остальным частицам
массу. Очень хорошая (но, конечно, тоже неверная) аналогия, которую
придумал не я: представьте себе идеально гладкий бильярдный стол, на
котором находятся бильярдные шарики-элементарные частицы. Они легко
разлетаются в разные стороны и движутся куда угодно без помех. Теперь
представьте себе, что стол покрыт некой липкой массой, затрудняющей
движение частиц: это поле Хиггса, а то, насколько частица прилипает к
такому покрытию - и есть его масса. С некоторыми частицами поле Хиггса
не взаимодействует никак, например, с фотонами, и их масса,
соответственно, равна нулю; можно представить себе, что фотоны похожи на
шайбу в аэрохоккее, и покрытие не замечают вообще.
Вся эта
аналогия неверна, например, потому что масса, в отличие от нашего
липкого покрытия, мешает частице не двигаться, а ускоряться, но какую-то
иллюзию понимания дает.
Бозон Хиггса - это частица,
соответствующая этому "липкому полю". Представьте себе очень сильный
удар по бильярдному столу, повредивший сукно и смявший небольшое
количество липкой массы в складку-пузырик, которая очень быстро
растечется обратно. Вот, это он и есть.
Собственно, именно этим
Большой адронный коллайдер и занимался все эти годы, и примерно так
процесс получения бозона Хиггса и выглядел: лупим изо всех сил по столу
до тех пор, пока само сукно не начнет превращаться из очень статичной,
твердой и липкой поверхности во что-то более интересное (или пока не
случится что-нибудь ещё более чудное, теорией не предсказанное). Именно
поэтому БАК настолько большой и мощный: с меньшей энергией "по столу"
бить уже пытались, но безуспешно.
Теперь насчет пресловутых 5
сигма. Проблема вышеописанного процесса заключается в том, что мы можем
только стукнуть и надеяться, что из этого что-то выйдет;
гарантированного рецепта получения именно бозона Хиггса нет. Хуже, когда
он все-таки родился на свет, мы должны успеть его зарегистрировать
(увидеть его, естественно, нельзя, да и существует он лишь ничтожную
долю секунды). Каким бы детектором мы ни пользовались, мы можем лишь
сказать, что кажется, возможно, мы наблюдали нечто похожее.
Теперь
представьте себе, что у нас есть особая игральная кость; она падает
случайно на одну из шести граней, но если рядом с ней как раз в это
время находится бозон Хиггса, то шестерка не выпадет никогда. Это
типичный детектор. Если мы кинем кость один раз и одновременно стукнем
изо всех сил по столу, то вообще никакой результат нам ровно ни о чем не
скажет: выпало 4? Вполне вероятное событие. Выпало 6? Возможно, мы
просто стукнули по столу слегка не в тот момент, и бозон, хотя и
существующий, не успел родиться в нужный момент, или наоборот, успел
распасться.
Но мы можем проделывать этот эксперимент несколько
раз, и даже много раз! Отлично, давайте кинем кость 60 000 000 раз.
Допустим, при этом шестерка выпала "всего лишь" 9 500 000 раз, а не 10
000 000; значит ли это, что бозон время от времени появляется, или это
всего лишь допустимая случайность - мы же не верим, что кость должна
лечь шестеркой _ровно_ 10 миллионов раз из 60?
Ну ээээ. На
глазок такие вещи не оцениваются, нужно считать, насколько велико
отклонение, и как оно соотносится с возможными случайностями. Чем больше
отклонение, тем меньше вероятность того, что кость просто случайно так
ложилась, и тем больше вероятность того, что время от времени (не
всегда) возникала новая элементарная частица, мешавшая ей лечь
шестеркой. Отклонение от среднего удобно выражать в "сигмах". "Одна
сигма" - это такой уровень отклонения, который является "наиболее
ожидаемым" (его конкретное значение может вычислить любой третьекурсник
физ- или матфакультета). Если экспериментов достаточно много, то
отклонение в 5 сигма - это тот уровень, когда мнение "случайность
маловероятна" превращается в абсолютно твердую уверенность.
О
достижении примерно этого уровня отклонений сразу на двух разных
детекторах и объявили физики 4 июля. Оба детектора вели себя очень
похоже на то, как они бы вели себя, если бы получаемая в результате
сильных ударов по столу частица действительно была бозоном Хиггса;
строго говоря, это ещё не значит, что перед нами именно он, нужно
измерить всякие прочие его характеристики всякими другими детекторами.
Но сомнений осталось уже мало.
Наконец, о том, что нас ждет в
будущем. Была ли открыта "новая физика", и был ли совершен прорыв,
который пригодится нам для создания гиперпространственных двигателей и
абсолютного топлива? Нет; и даже наоборот: стало ясно, что в той части
физики, которая изучает элементарные частицы, чудес не происходит, и
природа устроена практически так, как физики всю дорогу и предполагали
(ну, или почти так). Это даже немного грустно.
Ситуация
осложняется тем, что нам совершенно твердо известно, что она в точности
так устроена быть не может в принципе. Стандартная модель чисто
математически не совместима с общей теорией относительности Эйнштейна, и
то, и другое одновременно быть верно просто не может.
И куда
теперь копать, пока не очень понятно (не то чтобы мыслей совсем нет,
скорее, наоборот: различных теоретических возможностей слишком много, а
способов их проверить гораздо меньше). Ну, может быть, кому-то и
понятно, но уж точно не мне. Я и так в этом посте давным-давно вышел за
пределы своей компетенции. Если я где-то сильно соврал, пожалуйста,
поправьте меня.
А также
Бозон Хиггса и Наделение Массой http://habrahabr.ru/post/147100/
Хигс http://maxim.livejournal.com/383968.html
