В поисках частицы Бога - Иэн Сэмпл

Когда Хиггсу исполнилось 17 лет, он поступил в Лондонскую городскую школу, расположенную вблизи собора Святого Павла, чтобы в течение года плотно позаниматься математикой. Хиггс обнаружил, что он был там единственным учеником, не одержимым мечтой попасть в Оксфорд или Кембридж. В семье Хиггса существовало устойчивое предубеждение в отношении Оксбриджа (так в Англии называли Оксфорд и Кембридж вместе), и оно передалось Питеру. “Мой отец считал, что слишком многие отправляются в Оксбридж, чтобы побездельничать там несколько лет. Все это очень хорошо для детей из богатых семей — они могут потратить впустую и свое время, и время их наставников, но, если вы серьезно относитесь к учебе, вам следует учиться в другом месте”, — рассказывал Питер.

Хиггс хотел жить дома, пока не получит степень. Имперский колледж в Южном Кенсингтоне он исключил из-за того, что в нем обучение ограничивалось только научными дисциплинами. Хиггс подал документы на физический факультет Университетского колледжа в Блумсбери, а затем и в Королевский колледж, занимавший несколько внушительных зданий на Стрэнде. Не получив ответа из Университетского колледжа, он принял предложение Королевского колледжа.

Питер понимал, что таланта к исследовательской, экспериментальной работе у него нет. Довольно быстро это поняли и его коллеги. Он мог бороться с установкой целую вечность, но все его усилия оставались безуспешными — ни один прибор в его руках работать не желал. В одном опыте Хиггса в тупик поставил барометр, который ни за что не хотел давать показания, пока техник не пожалел Питера и не предложил вынуть резиновую пробку, засунутую в головку барометра. Позже Хиггс попытался повторить классический эксперимент Милликена 1909 года, в котором электрическое поле заставляло заряженные капли масла парить в воздухе, но не смог заставить остановиться ни одну чертову каплю.

В тот же год, когда Хиггс начал учиться в Королевском колледже, Фримен Дайсон осуществил свою мечту. Он устал от послевоенной депрессивной Британии и страстно желал окунуться в атмосферу бурного американского оптимизма. В возрасте 23 лет он прилетел в Нью-Йорк и устроился на работу в Корнеллский государственный университет в группу Ханса Бете, возглавлявшего ранее теоретический отдел Манхэттенского проекта.

В Корнелле Дайсон сразу погрузился в труднейшую проблему, которая угрожала сильно затормозить развитие квантовой физики. Для ее решения необходимо было, в частности, создать теорию поглощения и излучения света атомами и электронами. Эта задача была лишь частью другой огромной проблемы — описания всех различных видов частиц и их взаимодействий с позиции квантовой механики. В центре её была трудность, возникшая в квантовой теории поля, которую физики разработали для описания элементарных частиц. Дело было в том, что квантовая электродинамика, теория, описывающая взаимодействия электронов и фотонов, при определенных обстоятельствах приводила к парадоксу (проблема бесконечностей).

Роберт Оппенгеймер обратил внимание на этот парадокс, когда ему было 26 лет, в 1930 году, но вмешалась война, и проблема была отложена в сторону. Тогда Оппенгеймер с помощью квантовой теории поля попытался разобраться, что происходит, когда электрон испускает частицу света и быстро поглощает ее снова. Это квантовый эквивалент бросания теннисного мяча в воздух, когда он на обратном пути вниз опять попадает в ваши руки. Вы тратите энергию, когда бросаете мяч, но получаете ее обратно, когда ловите его.

Количество энергии, которую человек затрачивает и соответственно получает, когда бросает и ловит теннисный мяч, слишком мало, чтобы причинить ему какой-либо вред, а вот излучение и поглощение частиц света способно повредить электрону. Природа не накладывает верхнего предела на количество энергии, которой может обладать частица света, к тому же электроны постоянно могут излучать бесчисленное множество “виртуальных фотонов”. Оппенгеймер посчитал, и оказалось, что эти вылетающие фотоны приводят к бесконечным изменениям энергии атома. А поскольку такое невозможно, следовательно, с теорией что-то не так. Она прекрасно работала как грубый ориентир, но не более того.

Один из физиков, с которым Дайсон встретился в Корнелле, был Ричард Фейнман. Этот уроженец Нью-Йорка, уверенный в себе блестящий молодой ученый, осмелился броситься на спасение терпящей бедствие квантовой теории поля⁶¹. В 1947 году Фейнман понял, что вместо того, чтобы рассматривать каждую частицу света, возникавшую и исчезавшую вблизи электрона, лучше отступить подальше и рассмотреть фотоны скорее как облако энергии, окутывающее электрон. Сделав это, можно перенормировать массу и заряд электрона, принимая во внимание эффект фотонного облака. Когда Фейнман провел математические выкладки, бесконечность, доставившая столько неприятностей и грозившая убить теорию, исчезла.

Работа Феймана привела к выработке принципа, известного как принцип перенормировки. Это был прорыв, необходимый квантовой электродинамике, — она приобрела прочный фундамент. Стало ясно, что теория правильно описывает не только медленные, низкоэнергетические частицы, но и частицы с высокими энергиями, которые носятся вокруг со скоростью света или близкой к ней. Работа Фейнмана должна была бы вызвать восторг физиков во всех университетах, но возникло одно омрачающее радость обстоятельство — к решению этой же проблемы, но совершенно иными путями пришли два других ученых: Джулиус Швингер из Гарвардского университета и Синьитиро Томонага из Токийского университета. Томонага решил эту проблему еще во время войны, но потребовались годы, чтобы о нем узнали на Западе. Щекотливая ситуация повторяла некрасивую историю конца 1920-х, когда Гейзенберг и Шрёдингер разработали две конкурирующие формулировки квантовой механики.

Летом 1948 года Дайсон и Фейнман сорвались с места и отправились из Нью-Йорка в Альбукерке, Нью-Мексико. По пути они поговорили о физике, подвезли попутчиков, провели ночь в борделе (поскольку в местных отелях свободных номеров не оказалось) и поимели неприятности от полиции за превышение скорости. В планы Фейнмана входила встреча с некой девушкой⁶², а потому Дайсон продолжил путешествие один.

Дайсон открывал для себя Америку, путешествуя по стране в ветхих автобусах компании “Greyhound”, курсировавших между пустынными терминалами, обычно расположенными почему-то в наиболее глухих районах американских городов. После пары недель путешествий он сел в автобус, едущий из Калифорнии в Нью-Йорк. Где-то в глубине штата Небраска, когда он рассеянно смотрел в окно, его внезапно осенило. Он несколько недель, не думал о физике, но тут мысль словно взорвалась, в его сознании. Он с кристальной ясностью представил себе работы Фейнмана, Швингера и Томонаги. Они выглядели такими разными, но Дайсон понял, что авторы пришли к одному и тому же результату, правда используя разные методы. У Дайсона не было ни ручки, ни бумаги, чтобы записать свои мысли, но все это ему было не нужно. Он придумал в уме, как объединить три теории в одну. Вернувшись в Корнелл, Дайсон проверил свои идеи и убедился, что все правильно. Его статья, вышедшая в 1949 году, произвела сенсацию.