Бележка на редактора: На 8 октомври 2013 г. Питър Хигс и Франсоа Енглерт спечелиха Нобеловата награда по физика за работата си върху бозона на Хигс. По-долу нашият колонист по наука Брайън Грийн обяснява науката зад откритието.
От тази история
[×] ЗАКРИТЕ
Детекторът ATLAS, един от двата експеримента за откриване на неуловимия Хигс бозон при разбиване на частици при Големия адронен колайдер на CERN, тежи колкото сто 747 джета и съдържа повече от 1800 мили кабел. (Клаудия Марчелони / CERN) 
Компактният муонов соленоид на Големия адронен колайдер улавя частици в акта. (Майкъл Хох / ЦЕРН) 
Обратно към чертожната дъска: Физикът Питър Хигс изстъргва знаменитото си уравнение, описващо източника на масата на частиците. Щеше да мине половин век, за да се окаже вярно. (Стюарт Уолъс / Splash News / Newscom) 
Екипът работи с детектора ATLAS, един от двата експеримента за откриване на неуловимия Хигс бозон при разбиване на частици. (Клаудия Марчелони / CERN) 
Преди монтажа части от CMS детектора живееха в помещение за почистване в ЦЕРН. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
Магнитът в CMS детектора произвежда магнитно поле 100 000 пъти по-силно от земното. (Gobin / CERN) 
Близък план на CMS детектора - един от два експеримента за откриване на подписи на бозона на Хигс. (Gobin / CERN) 
Въпреки че бозонът на Хигс изглежда твърде кратко, за да бъде открит директно, физиците в CMS могат да направят заключение за съществуването му, като изучават душовете на частици, оставени след сблъсъка на протони-протони. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
Фото галерия
Свързано съдържание
- Изкуството и науката се сблъскват в откритието на Хигс Босън
Известна история в аналите на физиката разказва за 5-годишен Алберт Айнщайн, болен в леглото, получил от баща си компас за играчка. Момчето беше едновременно озадачено и хипнотизирано от невидимите сили по време на работа, пренасочвайки иглата на компаса към посока на север, когато положението му за почивка беше нарушено. По-късно този опит, ще каже Айнщайн, го убеди, че има дълбоко скрит ред към природата и го накара да прекара живота си в опит да го разкрие.
Въпреки че историята е на повече от век, младият главоблъскател Айнщайн срещна резонанси с ключова тема в съвременната физика, която е от съществено значение за най-важното експериментално постижение в областта на последните 50 години: откритието, преди година този юли, на бозона на Хигс.
Нека обясня.
Науката като цяло и в частност физиката търсят модели. Опънете пружина два пъти по-далеч и почувствайте два пъти съпротивлението. Модел. Увеличете обема, който обектът заема, като поддържа фиксираната му маса и колкото по-голям той плава във вода. Модел. Чрез внимателно наблюдение на моделите изследователите откриват физически закони, които могат да бъдат изразени на езика на математическите уравнения.
Ясен модел е очевиден и в случай на компас: Преместете го и иглата отново сочи на север. Мога да си представя един млад Айнщайн, който мисли, че трябва да има общ закон, който да предвижда окачените метални игли да бъдат изтласкани на север. Но такъв закон не съществува. Когато в даден регион има магнитно поле, определени метални предмети изпитват сила, която ги подравнява по посоката на полето, независимо от тази посока. И магнитното поле на Земята се случва да сочи на север.
Примерът е прост, но урокът задълбочен. Моделите на природата понякога отразяват две преплетени характеристики: основни физически закони и влияния на околната среда. Това е версия на природата на природата срещу възпитанието. В случай на компас, разплитането на двете не е трудно. Манипулирайки го с магнит, лесно заключавате, че ориентацията на магнита определя посоката на иглата. Но може да има и други ситуации, в които влиянието на околната среда е толкова разпространено и така извън нашата способност да манипулираме, би било много по-трудно да признаем тяхното влияние.
Физиците разказват притча за рибите, които изследват законите на физиката, но така привикнали към водния си свят, че не успяват да разгледат влиянието му. Рибите се борят силно, за да обяснят нежното люлеене на растенията, както и собственото си движение. Законите, които в крайна сметка намират, са сложни и громилни. Тогава една блестяща риба има пробив. Може би сложността отразява прости фундаментални закони, действащи в сложна среда - такава, която е изпълнена с вискозна, некомпресивна и всепроникваща течност: океанът. Отначало проницателната риба се игнорира, дори се подиграва. Но бавно и другите осъзнават, че тяхната среда, независимо от нейното познаване, оказва значително влияние върху всичко, което наблюдават.
Притчата реже ли се по-близо до дома, отколкото може би сме мислили? Възможно ли е да има други, фини, но всеобхватни характеристики на околната среда, които досега не сме успели да разберем правилно в нашето разбиране? Откриването на частицата Хигс от Големия адронен колайдер в Женева убеди физиците, че отговорът е силно да.
Преди близо половин век Питър Хигс и шепа други физици се опитваха да разберат произхода на една основна физическа характеристика: маса. Можете да мислите за масата като за кражба на обект или, малко по-точно, като съпротивлението, което предлага за промяна на движението му. Натиснете товарния влак (или перо), за да увеличите скоростта му, а съпротивлението, което чувствате, отразява неговата маса. На микроскопично ниво масата на товарния влак идва от съставните му молекули и атоми, които самите са изградени от основни частици, електрони и кварки. Но откъде идват масите на тези и други основни частици?
Когато физиците през 60-те моделират поведението на тези частици, използвайки уравнения, вкоренени в квантовата физика, те се натъкнаха на пъзел. Ако си въобразяваха, че всички частици са безтегловни, тогава всеки термин в уравненията щракна в идеално симетричен модел, като върховете на перфектна снежинка. И тази симетрия не беше просто математически елегантна. Той обясни модели, очевидни в експерименталните данни. Но - и ето пъзелът - физиците знаеха, че частиците имат маса и когато модифицираха уравненията, за да отчитат този факт, математическата хармония беше развалена. Уравненията станаха сложни и громилни и, още по-лошо, непоследователни.
Какво да правя? Ето идеята, представена от Хигс. Не хвърляйте масите на частиците по гърлото на красивите уравнения. Вместо това дръжте уравненията девствени и симетрични, но ги считайте за действащи в специфична среда. Представете си, че цялото пространство е равномерно запълнено с невидима субстанция - сега наричана полето на Хигс - която упражнява сила на влачене върху частици, когато те се ускоряват през нея. Натиснете върху фундаментална частица в опит да увеличите скоростта й и според Хигс бихте почувствали тази влачеща сила като съпротива. Обосновано бихте интерпретирали съпротивлението като маса на частиците. За ментален върх помислете за топка за пинг-понг, потопена във вода. Когато натиснете топката за пинг-понг, тя ще се почувства много по-масивна, отколкото извън водата. Взаимодействието му с воднистата среда води до отдаването му на маса. Така с частици, потопени в полето на Хигс.
През 1964 г. Хигс представя документ в изявен журнал по физика, в който формулира математически тази идея. Документът беше отхвърлен. Не защото съдържа техническа грешка, а защото предпоставката за невидимо нещо, проникващо в пространството, взаимодействащо с частици, за да осигури масата им, добре, всичко това изглеждаше като купища преуморени спекулации. Редакторите на списанието смятат, че „няма очевидно значение за физиката“.
Но Хигс упорито (и неговият преработен документ се появи по-късно същата година в друго списание), а физиците, които отделиха време за проучване на предложението, постепенно разбраха, че идеята му е инсулт на гений, който позволява на тях да пият тортата си и да я ядат също, Във схемата на Хигс основните уравнения могат да запазят първоначалната си форма, защото мръсната работа по осигуряване на масите на частиците се пренася в околната среда.
Докато не бях наоколо да ставам свидетел на първоначалното отхвърляне на предложението на Хигс през 1964 г. (е, аз бях наоколо, но едва-едва), мога да потвърдя, че до средата на 80-те години оценката се беше променила. Физическата общност в по-голямата си част напълно се е захванала с идеята, че има пространство на Хигс, проникващо в пространство. Всъщност в един завършен курс аз взех, че обхвана това, което е известно като Стандартния модел на физиката на частиците (квантовите уравнения физиците са събрали, за да опишат частиците на материята и доминиращите сили, чрез които те влияят една върху друга), професорът представи Хигс поле с такава сигурност, че дълго време нямах представа, че тепърва ще се установява експериментално. Понякога това се случва във физиката. Математическите уравнения понякога могат да разкажат толкова убедителна приказка, те могат на пръв поглед да излъчват реалността толкова силно, че се вкореняват в словото на работещите физици, дори преди да има данни, които да ги потвърдят.
Но само с данни може да бъде изградена връзка към реалността. Как можем да тестваме за полето Хигс? Тук идва Големият адронен колайдер (LHC). Завивайки се на стотици ярдове под Женева, Швейцария, пресичайки френската граница и обратно, LHC е близо 17 мили дълъг кръгъл тунел, който служи като писта за състезание за разбивайки заедно частици от материята. LHC е заобиколен от около 9 000 свръхпроводящи магнити и е дом на поточни орди от протони, обикаляйки около тунела в двете посоки, които магнитите се ускоряват, за да се стеснят само от скоростта на светлината. При такива скорости протоните бият около тунела около 11 000 пъти всяка секунда и когато се насочват от магнитите, участват в милиони сблъсъци в миг на око. Сблъсъците от своя страна произвеждат фойерверки като спрейове на частици, които детекторите за мамути улавят и записват.
Една от основните мотивации за LHC, която струваше от порядъка на 10 милиарда долара и включва хиляди учени от десетки страни, беше да търси доказателства за областта Хигс. Математиката показа, че ако идеята е правилна, ако наистина сме потопени в океан от полето на Хигс, тогава насилствените сблъсъци с частици трябва да могат да прехвърлят полето, колкото две сблъскащи се подводници да щракат водата около тях. И всеки толкова често джигирането трябва да е точно, за да отклони петънце от полето - мъничка капчица от океана на Хигс - което би изглеждало като дълго търсената частица на Хигс.
Изчисленията също показаха, че частицата на Хигс ще бъде нестабилна и ще се разпадне на други частици за минусовата част от секундата. В рамките на вихъра на сблъскащи се частици и надуващи се облаци от отломки от твърди частици учените, въоръжени с мощни компютри, ще търсят отпечатъка на Хигс - модел на разпад, продиктуван от уравненията.
В ранните сутрешни часове на 4 юли 2012 г. се събрах с около 20 други дебнещи в конферентна зала в Аспенския център по физика, за да разгледам на живо пресконференцията на пресконференцията в големите съоръжения на адронния колайдер в Женева. Около шест месеца по-рано два независими екипа от изследователи, натоварени със събирането и анализа на LHC данните, обявиха категорична индикация, че частицата Хигс е намерена. Слухът, който сега лети около общността на физиката, беше, че екипите най-накрая разполагат с достатъчно доказателства, за да поставят окончателно твърдение. В съчетание с факта, че самият Питър Хигс беше помолен да направи пътуването до Женева, имаше достатъчно мотивация да остане до 3 часа сутринта, за да чуе съобщението на живо.
И тъй като светът бързо научи, доказателствата, че частицата на Хигс е била открита, бяха достатъчно силни, за да прекрачат прага на откриване. С официално откритата частица Хигс публиката в Женева избухна в бурни аплодисменти, както и нашата малка група в Аспен и без съмнение десетки подобни събирания по целия свят. Питър Хигс изтри сълза.
С година на заден план и допълнителни данни, които само послужиха за укрепването на случая с Хигс, ето как бих обобщил най-важните последици от откритието.
Първо, ние отдавна знаем, че в космоса има невидими обитатели. Радио и телевизионни вълни. Магнитното поле на Земята. Гравитационни полета. Но нито едно от тях не е постоянно. Нито един не е непроменен. Нито един не присъства равномерно в цялата вселена. В това отношение полето на Хигс е коренно различно. Вярваме, че стойността му е същата както на Земята, така и в близост до Сатурн, в мъглявините Орион, в цялата галактика Андромеда и навсякъде другаде. Доколкото можем да кажем, полето на Хигс е незаличимо отпечатано върху пространствената тъкан.
Второ, частицата на Хигс представлява нова форма на материя, която се очакваше широко от десетилетия, но никога не е била виждана. В началото на 20 век физиците разбраха, че частиците, освен масата и електрическия си заряд, имат и трета определяща характеристика: тяхното въртене. Но за разлика от горната част на детето, въртенето на частиците е присъща функция, която не се променя; не се ускорява или забавя с течение на времето. Всички електрони и кварки имат една и съща стойност на въртене, докато спинът на фотоните - частиците от светлината - е два пъти по-голям от този на електрони и кварки. Уравненията, описващи частицата на Хигс, показаха, че - за разлика от всеки друг основен вид частици - тя изобщо не трябва да има въртене. Данните от големия адронов колайдер вече потвърждават това.
Установяването на съществуването на нова форма на материята е рядко постижение, но резултатът има резонанс в друга област: космологията, научното изследване на това как цялата Вселена е започнала и се е развила във формата, на която сега сме свидетели. В продължение на много години космолозите, изучаващи теорията за Големия взрив, бяха угнетени. Те събраха едно здраво описание на това как Вселената се развива от части от секундата след началото, но не успяха да дадат никакъв поглед върху това, което кара пространството, за да започне да се разширява на първо място. Каква сила можеше да упражни толкова мощен външен тласък? За целия си успех теорията за Големия взрив пропусна бретона.
През 80-те години на миналия век е открито възможно решение, което звъни на висок звън на Хигсиан. Ако пространството на пространството е равномерно пренаселено с поле, чиито частични съставки са безстепенни, тогава теорията на Айнщайн за гравитацията (общата теория на относителността) разкрива, че може да се генерира мощна отблъскваща сила - удар и голяма такава. Изчисленията показаха, че е трудно да се реализира тази идея със самото поле на Хигс; двойното мито за осигуряване на маса от частици и подхранване на бретона се оказва значителна тежест. Но проницателните учени разбраха, че поставяйки второ „подобно на Хигс“ поле (притежаващо същото изчезващо въртене, но различна маса и взаимодействия), те могат да разделят тежестта - едно поле за маса, а друго за отблъскващ тласък - и предлагат непреодолимо обяснение на бретона. Поради това в продължение на повече от 30 години теоретичните физици енергично изследват космологичните теории, в които подобни полета на Хигс играят съществена роля. Хиляди статии в списанията са написани, развиващи тези идеи, и милиарди долари са изразходвани за наблюдения в дълбоки космически пространства, които търсят и намират косвени доказателства, че тези теории точно описват нашата вселена. Потвърждението на LHC, че поне едно такова поле всъщност съществува, поставя поколение космологично теоретизиране на далеч по-здрава основа.
И накрая, и може би най-важното, откриването на частицата на Хигс е изумителен триумф на силата на математиката да разкрие работата на Вселената. Това е история, която е рекапитулирана във физиката много пъти, но всеки нов пример вълнува точно същото. Възможността за черни дупки се появи от математическите анализи на немския физик Карл Шварцшилд; последващи наблюдения доказаха, че черните дупки са истински. Космологията на Големия взрив възникна от математическите анализи на Александър Фридман, а също и на Жорж Лемаотре; последващите наблюдения оказаха и това прозрение правилно. Концепцията за анти-материя първо се появи от математическите анализи на квантовия физик Пол Дирак; последващи експерименти показаха, че и тази идея е правилна. Тези примери дават усещане за това, какво е имал предвид големият математик физик Юджийн Уигнър, когато говори за „необоснованата ефективност на математиката при описване на физическата вселена.“ Полето Хигс се появи от математическите проучвания, търсещи механизъм за отдаване на частици с маса. И за пореден път математиката премина с летящи цветове.
Като теоретичен физик аз, един от многото посветен на намирането на това, което Айнщайн нарече "единна теория" - дълбоко скритите връзки между всички природни сили и материя, за които Айнщайн мечтае, дълго след като беше прикован към физиката от мистериозната работа на компаса - откриването на Хигс е особено приятно. Нашата работа се ръководи от математиката и досега не е осъществила контакт с експериментални данни. С нетърпение очакваме 2015 г., когато модернизиран и в същото време по-мощен LHC ще бъде включен отново, тъй като има вероятност за борба новите данни да предоставят доказателства, че нашите теории са в правилната посока. Основните основни етапи ще включват откриването на клас от досега невиждани частици (наречени „свръхсиметрични“ частици), които нашите уравнения предвиждат, или намеква за дивата възможност за пространствени измерения отвъд трите, които всички преживяваме. Още по-вълнуващо ще бъде откриването на нещо напълно непредвидено, което ще ни изпрати всички да вървим към нашите черни дъски.
Много от нас се опитват да мащабират тези математически планини от 30 години, някои дори и по-дълго. На моменти сме чувствали, че обединената теория е точно извън нашите пръсти, докато в други моменти наистина тъпчем в тъмнината. За нашето поколение е голям тласък да станем свидетели на потвърждението на Хигс, да станем свидетели на математически прозрения на четири десетилетия, реализирани като пукнатини и пукнатини в LHC детекторите. Това ни напомня да вземем присърце думите на Нобеловия лауреат Стивън Вайнбърг: „Нашата грешка не е, че приемаме теориите си твърде сериозно, но не ги възприемаме достатъчно сериозно. Винаги е трудно да осъзнаем, че тези числа и уравнения, с които играем на нашите бюра, имат нещо общо с реалния свят. ”Понякога тези числа и уравнения имат неподправена, почти зловеща способност да осветяват иначе тъмните кътчета на реалността. Когато го направят, ние се доближаваме толкова много до схващането на мястото си в Космоса.
