Общество

Всеволод Чаплин
председатель Синодального отдела по взаимодействию Церкви и общества Московского Патриархата

Бозон, просто бозон

4 июля 2012, 16:15

В среду, после почти 20 часов ожидания, утечек в СМИ и бурных обсуждений, ученые из CERN официально объявили об открытии новой элементарной частицы, которая, вероятно, может быть знаменитым бозоном Хиггса, предсказанным еще в начале 60-х, последним кирпичиком стандартной модели современной физики.

Бозон Хиггса – последняя элементарная частица стандартной модели – закрывает дискуссию о том, как именно взаимодействуют между собой элементарные частицы, но открывает пространство для ряда новых споров

Детектор ATLAS Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, а уровень статистической значимости сигнала превысил необходимые пять стандартных отклонений, сообщила официальный представитель коллаборации на Большом адронном коллайдере Фабиола Джианотти. «Мы видим в наших данных ясные свидетельства существования новой частицы с уровнем значимости «5 сигма» (то есть опыт официально подтвержден – ВЗГЛЯД.), с массой около 126 гигаэлектронвольт», – сказала Джианотти, слова которой цитирует РИА «Новости».

Вице-президент Российской академии наук физик-теоретик Александр Андреев заявил, что обнаружение учеными исследовательского центра в Швейцарии новой частицы имеет большое значение для фундаментальной науки, но не поможет человечеству изобрести вечный двигатель или машину времени. «Это имеет большое, принципиальное фундаментальное значение, но для практики это пока ничего не означает», – сказал Андреев «Интерфаксу». По его словам, революционным для физики и науки в целом было бы, если бы бозона Хиггса не было. Комментируя предположение о том, что обнаружение новой частицы приближает человечество к созданию вечного двигателя или машины времени, ученый категорично заявил: «Это все вранье».

Энергия и масса

Сам Большой адронный коллайдер был запущен в 2008 году. Окончательно доказать тот факт, что новая частица и есть искомый бозон Хиггса, на самом деле еще только предстоит (споры об этом уже начались, но нам остается лишь ждать непосредственных выкладок). Но историю бозона на самом деле стоит начать с природы энергии, то есть с фундаментальных открытий еще XVIII и XIX веков, без которых невозможно представить себе полную картину современной физики.

Дело в том, что все существующие частицы могут вступать друг с другом в разные типы взаимодействия: гравитационное, электрическое и магнитное (электромагнитное). Эти взаимодействия образуют то, что называется «полем»: пространство между полюсами магнита (или зарядами частиц) – самый простой пример такого поля – можно увидеть, если насыпать железные опилки на стекло, под которым покоится стержневой магнит. Опилки сами собой лягут так, что будут видны дуги, протянутые от одного полюса к другому.

Таким был первый шаг в попытке объяснить то, как именно устроен окружающий нас мир.

Энергию стоит дополнить самым простым и всем известным понятием массы тела: она, известная всем нам по эмпирическим наблюдениям (гиря в 6 килограммов тяжелее пакета картошки в полкило – объяснения не требуются), на поверку оказалась едва ли главной загадкой физики.

Мы, казалось бы, все понимаем о массе, но только на уровне тела. Однако же масса тела есть масса его вещества, то есть тех частиц, из которых оно состоит, именно поэтому чугунный брусок всегда тяжелее алюминиевой чушки того же размера.

Магнитное взаимодействие (фото: wikipedia.org)

Однако проблема уже в начале XX века состояла ровно в том, что понятия массы и энергии никоим образом не помогали описать непредметный мир. И речь идет не только о Вселенной, которая теоретически должна иметь какую-то массу и какую-то энергию, но и о микромире, о тех самых простых частицах, из которых и состоит все вокруг. Их еще предстояло найти.

Мы можем придумать меру веса и описать массу чугунного бруска, но какую меру необходимо ввести для того, чтобы описать пространство. То есть буквально: а сколько весит вакуум?

К ответу на этот простой вопрос физики приблизились лишь тогда, когда нашли то, что они назвали «элементарными частицами», которые, в свою очередь, были разделены на фундаментальные частицы (например, кварк), имеющие простую структуру, и составные (протон, нейтрон, адрон, мезон и некоторые другие). 

Практика, разумеется, сложнее: так, мезон – это по сути кварк и антикварк, а сами кварки вообще не могут находиться в свободном состоянии, они скорее процесс, нежели предмет. Процесс распада, разумеется.

Мир элементарных частиц очень многообразен, и для его подробного описания потребовался бы минимум учебник. Отметим лишь, что некоторые их свойства, с удивлением описанные физиками, вообще не лезут ни в какие ворота. Фотон (квант, непосредственная составляющая электромагнитного излучения), «частица света», не имеет массы и представляет собой одновременно и частицу, и волну. А нейтрино так слабо взаимодействует с веществом, что проходит сквозь вещество.

Когда элементарные частицы были обнаружены, описаны и классифицированы, оказалось, что фундаментальных взаимодействий насчитывается не три (или два, как посчитать), а четыре: во-первых, это все та же гравитация, во-вторых, электромагнитное взаимодействие, в-третьих, так называемое «сильное» (самый известный пример – ядерный распад) и, наконец, «слабое» (оно ответственно за некоторые виды распадов, например, распад нейтрона на протон, электрон и электронное антинейтрин и т. д.)

Три типа взаимодействия (все, кроме гравитации), 24 фундаментальные частицы, шесть видов кварков и шесть лептонов (частиц, которые не участвуют в сильных взаимодействиях) составляют так называемую стандартную модель, которая должна описать все принципы устройства мира, но, к сожалению физиков, сделать это не в состоянии.

Проблема состоит в том, что совершенно не ясно, почему частицы обладают именно такой массой и вступают в именно такие взаимодействия: и сам факт наличия определенной массы, и типы взаимодействий уже изучены, но ведь нейтрино – это не кусок чугуна, который можно сравнить с куском алюминия.

Бозон и гравитон

Именно с этой точки и начинается отсчет истории уже самого бозона Хиггса.

Кроме уже описанных элементарных, были обнаружены отдельные частицы, которые в микромире отвечают за перенос тех или иных взаимодействий (или физических свойств). Они были объединены в группу с общим названием «бозоны». Так, например, уже упоминавшиеся фотоны обеспечивают электромагнитное взаимодействие. Однако не все бозоны являются переносчиками тех или иных свойств: вообще же деление на бозоны и фермионы - это деление на частицы с целым или полуцелым спином.

Питер Хиггс (фото: Reuters)

Британский ученый Питер Хиггс в 1960-х предположил, что Вселенную пронизывает некое поле, которое и придает частицам ту или иную массу. Сразу после гипотетического Большого взрыва частицы не разлетелись лишь потому, что их что-то удержало, что-то заставило их приобрести новое физическое свойство, вокруг которого выстроились новые взаимодействия. Квант этого поля и есть бозон Хиггса, нечто, что позволяет частицам приобретать массу, становясь прообразом любого вещества (в том числе и еще не изученного вещества, из которого в основном состоит Вселенная).

Бозон Хиггса – последняя элементарная частица стандартной модели – закрывает дискуссию о том, как именно взаимодействуют между собой элементарные частицы, но открывает пространство для ряда новых споров.

«Узнав массу и другие характеристики хиггсовского бозона, можно будет продвинуться в теоретическом понимании новой физики за пределами стандартной модели. Например, пролить некоторый свет на вопрос о существовании суперсимметрии. В отличие от бозона Хиггса, существование в природе суперсимметрии – вопрос остро дискуссионный. Математически наличие суперсимметрии при достаточно высоких энергиях не запрещено, а в некоторых теориях, обобщающих стандартную модель, например в теории струн, просто совершенно необходимо. Открытие БАКом суперсимметрии привело бы к тектоническому сдвигу в современной физике», – пояснил в интервью газете ВЗГЛЯД доцент Оксфорда Андрей Старинец одно из направлений таких споров.

«Суперсимметрия - это гипотеза (у нее есть очень глубокие математические основания) о том, что при достаточно высоких энергиях имеется соответствие между бозонами и фермионами - отметил ученый - у каждого бозона есть свой суперпартнер-фермион такой же массы (и наоборот). Например, у электрона (фермиона) имеется «близнец»-бозон под названием сэлектрон, у фотона (бозона) - фотино (фермион) и т.д. Суперсимметрия не наблюдается при доступных нам энергиях, но может существовать при энергиях более высоких. Если суперсимметрия уже существует при энергиях порядка 10 Тэв, БАК может ее обнаружитьКроме того, еще одной частицей, которую, вероятно, предстоит открыть, является гравитон, гипотетический бозон, отвечающий за не входящую в стандартную модель гравитацию, самое слабое из всех существующих взаимодействий».

Эйнштейн и Планк

Объединение всеми нами ощущаемой ежесекундно гравитации и остальных взаимодействий в единую теорию – задача до сих пор не решенная.

Ее сформулировал еще Альберт Эйнштейн, чья общая теория относительности должна каким-то образом совмещаться с квантовой механикой, берущей свое начало с исследований Макса Планка. Однако теория относительности, описывающая макромир, и квантовая механика, ответственная за мир элементарных частиц, не совпадают, и проблема здесь состоит в том, что физические законы, действующие в одной системе, перестают работать в другой.

Бозон Хиггса не дает ответа на вопрос о том, как именно можно совместить две этих фундаментальных теории, однако успех исследований на Большом адронном коллайдере может открыть перспективы изучения объединяющей системы Эйнштейна и Планка квантовой гравитации. Если предельно упрощать, то квантовая механика пока описывает процессы, которые происходят на фоне внешнего, протекающего совершенно независимо от них времени, а теория относительности разбирает явления самого времени: оно является не фоном, а участником событий. Квантовая гравитация, опираясь, с одной стороны, на стандартную модель, а с другой – на открытия многочисленных последователей Эйнштейна, призвана замкнуть эту систему.

Практические перспективы этих исследований сегодня так же трудно себе представить, как трудно было в середине XIX века автору теории электромагнитного поля Майклу Фарадею вообразить себе линии электропередачи, магнитные ключи, мобильные телефоны и покупку билетов на самолет через интернет. Тогда многим исследования Фарадея всерьез казались несусветной чушью, бесполезным времяпрепровождением и блажью чудака.

Главная теория, которая пока не находит никакого практического подтверждения, состоит в том, что пространств в нашем понимании несколько. Именно поэтому гравитационное взаимодействие так слабо проявлено: наше пространство – лишь одна из точек его приложения. Многомерный мир с возможностью инвариантного течения времени – это, пожалуй, самое понятное гипотетическое открытие, которое могут сделать физики, двигаясь дальше в попытке объяснить, как именно устроена Вселенная.

Текст: Михаил Бударагин

Вам может быть интересно

Путин: Участие в выборах – это наш общий вклад в победу России
Темы дня

Фон дер Ляйен начала превращать Евросоюз в военный блок

«Очередной шаг к превращению ЕС в военный блок» – так эксперты оценили предложение Урсулы фон дер Ляйен создать европейский аналог Четвертой статьи Североатлантического договора. Такой механизм должен предусматривать консультации стран Евросоюза в случае возникновения угрозы безопасности одного из государств-членов. Как он будет уживаться с функциями НАТО и к каким последствиям для России может привести эта инициатива?

Французскую полицию утешат за счет стариков

Масштабные акции протеста устроили во Франции те, кто обычно обязаны их разгонять – полицейские. Чем недовольны стражи порядка, у которых, на первый взгляд, и приличная зарплата, и социальный пакет – и у кого отнимут деньги для того, чтобы в условиях дефицита бюджета повысить оклады полиции?

Лавров: Европа обманет Армению со вступлением в ЕС

Эксперт объяснил причины признания США в наличии орбитального оружия

Установлена причина гибели собак после вакцинации препаратом «Мультикан-8»

Новости

Больницы Германии начали подготовку к войне и массовым жертвам

Власти Германии инициировали проверку национальной системы здравоохранения на случай потенциального военного конфликта, оценивая готовность к приему массового потока раненых, сообщает Bloomberg.

У границ России замечены четыре самолета-разведчика НАТО

Сразу четыре разведывательных борта НАТО зафиксировали вблизи государственных границ России, включая полеты над Черным морем и вдоль финских рубежей.

Британия провела испытания первой с 1990-х ядерной боеголовки

Власти Британии успешно испытали новейшую ядерную боеголовку Astraea, создание которой обойдется бюджету страны в 15 млрд фунтов стерлингов.

МФМ-2026 завершился масштабным шоу

Международный фестиваль молодежи 2026 года, объединивший в Екатеринбурге 10 тыс. участников из 191 страны, завершился масштабным музыкальным шоу. На сцену церемонии закрытия вышли более тысячи артистов, а к участникам фестиваля с Международной космической станции обратились российские космонавты.

ВС России пресекли попытку штурмовой группы ВСУ выйти из окружения

Подразделения группировки «Север» в Харьковской области продолжают сжимать кольцо окружения формирований противника и расширять внешнюю зону контроля, отчитались в Минобороны.

На заводе «Москвич» началось массовое производство электромобилей «Атом»

На столичном заводе «Москвич» стартовал выпуск отечественных электромобилей «Атом» по полному производственному циклу.

Украинский дрон уничтожил жилой дом в ДНР

В донецком поселке Золотаревка в результате целенаправленного удара украинских беспилотников полностью уничтожен частный дом, еще несколько зданий получили повреждения.

ФАС предложила запретить энергетикам заниматься добычей криптовалют

Федеральная антимонопольная служба (ФАС) России предложила запретить производителям электроэнергии выступать операторами инфраструктуры для добычи криптовалют.

Умерла звезда фильма «Место встречи изменить нельзя» Наталья Данилова

Заслуженная артистка России Наталья Данилова, многие годы служившая в петербургском Большом драматическом театре, скончалась в возрасте 70 лет.

Лавров: Москва начала проверку данных об американском ударном космическом оружии

Министр иностранных дел России Сергей Лавров сообщил об изучении информации касательно возможного размещения американских ударных систем на околоземной орбите.

Власти Казани решили увековечить память о погибшем на СВО Герое России Грунисе

В Казани увековечат память погибшего в ходе спецоперации генерал-майора Антона Груниса, установив мемориальную доску на доме, где он проживал, сообщили в пресс-службе главы Татарстана.

Лавров не исключил проведение переговоров по Украине в Сербии

Министр иностранных дел Сергей Лавров не исключил возможность проведения мирных переговоров по Украине на территории Сербии при согласии всех сторон конфликта.
Мнения

Вадим Трухачёв: Хочет ли Швеция снова воевать с Россией

Выборы в Швеции не вызвали большого интереса в России – хотя речь идет о богатой и влиятельной стране, занимающей третье место по вооружению Украины. Однако в местной политике для нас царит почти полный мрак, и учитывать приходится только «нюансы» того, насколько враждебны к нам те или иные шведские политические силы.

Сергей Миркин: Эйфория от ударов по России сменилась на Украине отчаянием

На что рассчитывал Зеленский, начиная эскалацию? Логика майданных политиков проста. Россия воюет на свои деньги, а Украина на деньги европейцев. Значит, Украина более устойчива к ударам со стороны России, чем Россия со стороны Украины. Бред? Конечно, бред. Но на нем строится вся украинская политика.

Игорь Мальцев: Откуда в Германии «русские дроны»

В обстановке тяжелого бреда канцлер Мерц обвинил Россию в развязывании «гибридной войны» и объявил о комплексе мер по сдерживанию России «всеми возможными средствами». На робкие вопросы: «Почему это русские?» – следует единственный ответ: «Потому».
Вопрос дня

Как были обретены мощи святого князя Дмитрия Донского