Четыре бозона выступают в качестве «связующего звена» сил, словно теннисисты, играющие пара на пару. Для электромагнетизма таким «связующим звеном» служит фотон; для слабого ядерного взаимодействия – W± и Z-бозоны, а для сильного ядерного взаимодействия – глюон. Такова стандартная модель: 12 фермионов (6 кварков и 6 лептонов) удерживаются вместе четырьмя бозонами.
Итого, у нас получается 16 фундаментальных частиц.
Ах, да! Ещё есть бозон Хиггса – семнадцатая фундаментальная частица. Если, конечно, эта легендарная, как её часто называют, частица действительно существует. По крайней мере, до 2012 года это было весьма сомнительно.
Несмотря на свою популярность, стандартная модель не в состоянии объяснить наличие у частиц массы (в общепринятом смысле этого слова). Бозон Хиггса был придуман в 60-х годах XX века, когда некоторые физики смекнули, что новая частица с особыми свойствами может пролить свет на один важный аспект этого противоречия. Среди них был и Питер Хиггс, рассчитавший кое-какие свойства гипотетической частицы и предсказавший, собственно, её существование. Бозон Хиггса создаёт поле Хиггса, так называемый «хиггсовский океан». Важно то, что сила поля Хиггса не равна нулю даже в пустом пространстве. Когда частица движется сквозь всепроникающее поле Хиггса, то взаимодействует с ним, и этот эффект можно истолковать как массу. В качестве аналогии представьте, что вы перемешиваете ложкой патоку. Правда, в таком случае за массу выдаётся сопротивление перемешиванию, поэтому сам Хиггс скептически относится к подобному способу объяснения своей теории. Другая аналогия представляет самого Хиггса в качестве знаменитости, притягивающей к себе толпу поклонников.
Доказательство существования (или несуществования) бозона Хиггса являлось главной, хотя и не единственной, причиной, по которой миллиарды евро были потрачены на строительство БАКа. Как раз в июле 2012 года две независимые команды экспериментаторов объявили об обнаружении неизвестной ранее частицы: бозона массой около 126 ГэВ (миллиард электронвольт – стандартная единица, используемая в физике частиц). Их наблюдения совпадали, в том смысле, что свойства частицы, по крайней мере те, которые можно было измерить, соответствовали предсказанным Хиггсом.
Долгожданное открытие бозона Хиггса, если, конечно, оно подтвердится, логически завершит стандартную модель. Оно никак не могло быть сделано без «Большой науки» и, возможно, стало главным триумфом БАКа. Основное влияние открытие оказало на теоретическую физику. Существует бозон Хиггса или нет, для всей остальной науки безразлично, поскольку там давно уже принято, что частицы имеют массу. Иначе говоря, можно утверждать, что такое же количество денег, будучи затраченным на менее впечатляющие проекты, почти наверняка позволило бы получить куда более полезные с практической точки зрения результаты. Но такова уж натура Больших-Пребольших Штуковин: если деньги не тратятся на них, маленьким научным проектам они тоже никогда не достаются.
Видите ли, на маленьких научных проектах политической или чиновничьей карьеры не сделаешь.
Открытие бозона Хиггса демонстрирует нам, как именно учёные видят мир, а кроме того, служит примером, раскрывающим природу научных знаний. Доказательством существования этого бозона служит всего лишь крошечный пичок на статистическом графике. Насколько мы можем быть уверены, что за этим пичком действительно скрывается новая частица? Можно дать лишь сугубо формальный ответ. Непосредственно наблюдать бозон Хиггса невозможно, потому что он спонтанно и чрезвычайно быстро расщепляется на целое облако других частиц. При этом они сталкиваются друг с другом, создавая полнейший беспорядок. Чтобы различить в этом хаосе характерный след бозона Хиггса, требуются очень сложная математика и очень быстрые компьютеры. А для того, чтобы убедиться, что увиденное – не случайное совпадение, необходимо понаблюдать события подобного типа множество раз. Поскольку они редки, нужно повторять эксперимент за экспериментом, пока результаты не окажутся достаточными для непростого статистического анализа. И только тогда, когда вероятность того, что выброс на графике является случайным совпадением, будет меньше одного на миллион, физики позволят себе выразить уверенность, что бозон Хиггса существует.
Мы говорим об одном конкретном бозоне Хиггса, хотя имеются альтернативные теории с восемнадцатью, девятнадцатью или даже двадцатью фундаментальными «хиггсоподобными» частицами. Впрочем, сейчас нам хоть что-то известно, тогда как совсем недавно уверенности не было ни в чём.
Для понимания всего изложенного требуется значительный опыт в некоторых известных лишь посвящённым областях теоретической физики и математики. Проблему представляет уже осмысление самого понятия «масса», как и того, с какими частицами она может быть связана. Для успешного проведения подобного эксперимента, в дополнение к основательной подготовке в области экспериментальной физики требуется целый комплекс инженерных знаний и навыков. Даже слово «частица» обладает специальным значением, не имеющим ничего общего с привычным образом крошечного шарика. Так почему же учёные смеют утверждать, что они разбираются в поведении Вселенной на микроуровне, если человек не в состоянии увидеть всё это собственными глазами? Это далеко не то же самое, что обнаружить в телескоп четыре маленьких небесных тела, вращающихся вокруг Юпитера, как в своё время сделал Галилей. Или, подобно Роберту Гуку, рассмотреть в микроскоп, что живая материя состоит из клеток. Доказательства существования бозона Хиггса, как и доказательства большинства основных научных положений, косвенны и, скажем так, не бросаются в глаза.
Для того чтобы справиться с сомнениями, давайте взглянем на природу научного знания, используя примеры более знакомые, чем бозон Хиггса. И, таким образом, разделим два фундаментально различных типа мировоззрения. Это разделение будет красной нитью проходить через всю книгу.
Науку часто представляют как коллекцию «фактов», соответствующих неким однозначным суждениям об окружающем мире. Земля вращается вокруг Солнца. Призма разделяет свет на составляющие его цвета. Если нечто крякает и ходит вперевалку, значит, это утка. Зазубрите все факты, изучите технический жаргон (как-то: орбита, спектр, семейство Anatidae), расставьте, где нужно, галочки – и готово, вы – учёный. Чиновники от образования часто придерживаются именно такого воззрения, ведь этих самых «галочек» они могут уверенно сосчитать и внести в отчёт (семейство врановые, вид – Corvus monedula (Галка обыкновенная)… Ладно, замнём).
Как ни странно, больше всего против такого понимания науки протестуют сами учёные. Они-то знают, что наука не имеет с этим ничего общего. Нет никаких раз и навсегда установленных фактов. Каждое научное утверждение носит условный и неокончательный характер. Вот только политикам подобное совсем не по нраву. Могут ли они в таком случае доверять учёным? Ведь если появятся новые данные, те просто-напросто изменят своё мнение, а денежки – тю-тю?
Конечно, одни научные утверждения менее условны, чем другие. Никто из учёных не думает, что общепринятое описание формы Земли в одночасье изменится с круглой на плоскую. Однако они хорошо помнят, что когда-то оно сменилось с плоской на круглую, а с круглой – на приплюснутый сфероид, а со сфероида совершенного – на неровный. В последних пресс-релизах говорится, что Земля по своей форме напоминает, скорее, бугристую картофелину[6]. С другой стороны, никто особо не удивится, если новые измерения покажут, что семнадцатую сферическую гармонику формы Земли (один из элементов её математического описания) потребуется увеличить на 2 %. Большинство перемен в науке происходит постепенно, шаг за шагом, не меняя одним махом всю картину.
Однако иногда научное мировоззрение изменяется действительно кардинальным образом. Четыре элемента превращаются в 98, а после того как люди научились создавать новые, – в 118. Ньютоновская гравитация, загадочная сила, действующая на расстоянии, трансформировалась в эйнштейновское искривлённое пространство-время. Фундаментальные частицы вроде электрона из крошечных твёрдых шариков сначала превратились в вероятностные волны, а затем – в локализованные возбуждения квантового поля. В этом представлении поле – это море частиц, а сами частицы – отдельные волны этого моря. Возьмём, к примеру, океан Хиггса. Он состоит из бозонов Хиггса, и вы не сможете отделить одно от другого. Если вы хотите стать специалистом в физике элементарных частиц, вам придётся хорошенько разобраться и в физике квантовых полей. Таким образом, термин «частица» волей-неволей приобретает различные значения.
Научные революции меняют не Вселенную. Они меняют её человеческое толкование. Значительное количество научных диспутов касаются не так называемых «фактов», а их интерпретаций. Многие креационисты не подвергают сомнению достоверность определения последовательности ДНК[7]. Вместо этого они спорят о трактовке данных результатов как доказательства эволюции.
Научные революции меняют не Вселенную. Они меняют её человеческое толкование. Значительное количество научных диспутов касаются не так называемых «фактов», а их интерпретаций. Многие креационисты не подвергают сомнению достоверность определения последовательности ДНК[7]. Вместо этого они спорят о трактовке данных результатов как доказательства эволюции.
Люди вообще горазды на интерпретации. Это позволяет им выпутываться из всяких неловких ситуаций. В 2012 году в ходе теледебатов, посвящённых сексизму в религии и спорам по поводу женщин-епископов в англиканской церкви, один из участников процитировал 1-е послание апостола Павла к Тимофею: «Пусть женщины учатся тихо, в полной покорности. Я не позволяю женщине учить или же руководить мужчиной; ей следует молчать. Ведь первым был сотворен Адам, а потом Ева, и обманут был не Адам, а женщина, именно она поддалась лжи и совершила грех». На первый взгляд сложно интерпретировать эти строки иначе чем указание на подчинённое положение женщины и на то, что она должна слушаться мужчину и помалкивать в тряпочку. Более того: вина за грехопадение целиком и полностью лежит на женщине, а не на мужчине, ведь именно Ева поддалась на искушение змея. Но, несмотря на столь очевидное толкование, другой участник решительно утверждал, что в процитированном тексте не содержится ничего подобного. Вопрос интерпретации, только и всего. Всё это происходило за несколько месяцев до того, как Генеральный Синод высказался против изменения церковного законодательства.
Интерпретации нужны потому, что факты редко объясняют то, как Вселенная соотносится с нами самими. Солнечное тепло производится ядерными реакциями, в основном трансформацией водорода в гелий. Это факт. Но нам-то хочется большего. Мы желаем знать, почему так происходит. Появилось ли Солнце специально для того, чтобы обеспечивать нас теплом? Или напротив: мы обитаем на этой планете потому, что солнечное тепло создало среду, в которой такие, как мы, могут развиваться? Как видите, факт один и тот же, а вот его интерпретация зависит от того, кто именно интерпретирует.
Будем считать, что наша интерпретация – это человеческий взгляд на мир. Что, конечно, неудивительно. Если у кошек есть мировоззрение, они, безусловно, смотрят на мир со своей кошачьей точки зрения. Естественно, что человеческий способ существования оказал решающий эффект на то, как именно мы размышляем о мире, какие объяснения находим убедительными, и даже на то, что конкретно мы о нём думаем. Наш мозг воспринимает мир в человеческом масштабе, интерпретируя эти представления, исходя из их важности для нас самих.
Акцентирование внимания на человеческом масштабе кажется довольно логичным. Как ещё мы можем воспринимать наш мир? Но риторические вопросы заслуживают лишь риторических ответов, тогда как для нас, в отличие от других животных, имеются альтернативы. Человеческий мозг в состоянии сознательно изменить собственный образ мышления. Мы можем научить самих себя размышлять на разных уровнях, как на большом, так и на малом. Научиться избегать психологических ловушек, вроде веры в то, что мы хотим чего-то просто потому, что хотим. Можем даже думать в совершенно чуждом для нас ключе: математики, например, постоянно размышляют о пространствах, имеющих больше чем три измерения, о фигурах столь сложных, что не имеют какого-нибудь значимого объёма, о поверхностях с одной стороной или о размерах бесконечности.
Люди могут думать не по-человечески.
Такой способ мышления называется аналитическим. Такое мышление не появляется само собой, его результаты не всегда утешают, тем не менее думать таким образом вполне возможно. Это путь, приведший нас к современному миру, в котором аналитическое мышление становится всё более необходимым для выживания. Если вы уютно устроились у себя в кресле, убеждая себя, что мир таков, как вам хочется, скорее всего, вас ждут неприятные сюрпризы, причём тогда, когда уже поздно будет что-то менять. К сожалению, необходимость аналитического мышления воздвигает прочный барьер между наукой и бесчисленными человеческими желаниями, равно как убеждениями, возрождающимися с каждым новым поколением. Сражения, которые учёные наивно полагали окончательно выигранными ещё в XIX веке, разгораются вновь и вновь. Ведь рациональности и доказательной базы ещё недостаточно, чтобы одержать победу в человеческих умах.
Наши прирождённые способы мышления появились не случайно. Они эволюционировали вместе с нашим биологическим видом, поскольку были полезны для выживаемости. Миллион лет назад жизнь предков человека, бродивших по африканским саваннам, изо дня в день зависела от того, найдётся ли достаточно пищи. Кроме того, надо было постараться самим не стать чьим-либо обедом. Огромную важность для них приобрели соплеменники, животные и растения, которых они ели, а также звери, евшие их самих.
Впрочем, окружавший их мир включал много чего другого: камни; моря, озёра, и реки; погоду; огонь (вероятно, начавшийся с молнии); Солнце, Луну и звёзды… Однако даже эти неживые вроде бы объекты обладают неким подобием жизни: одни – движутся; вторые внезапно изменяются, словно по собственной воле; третьи могут вообще тебя убить. Неудивительно, что в развившейся человеческой культуре мир представлялся результатом сознательной деятельности живых существ. Солнце, Луна и звёзды стали богами – наглядным доказательством существования высших сил, обитающих на небесах, а раскаты грома и вспышки молнии – зримыми свидетельствами их гнева. Эти факты можно было наблюдать ежедневно, что делало их совершенно неоспоримыми.
Центральное место в жизни первых людей занимали животные и растения. Достаточно полистать книги с египетскими иероглифами, чтобы заметить, сколько среди них изображений зверей, птиц, рыб и растений. Ну, или их, скажем так, частей. Египтяне представляли богов в виде существ с головами животных; в одном совсем уж запущенном случае на человеческом торсе в качестве головы красовался целый навозный жук. Так рисовали бога Хепри – одну из ипостасей бога Солнца. Жуки-скарабеи угодили в божества из-за своего странного поведения: они скатывают шарики из навоза и закапывают их в землю. Точно так же гигантский небесный скарабей толкает шар-Солнце. Желаете доказательств? Солнце тоже каждый вечер скрывается под землёй, в «Нижнем мире».
У физика, а по совместительству писателя-фантаста, Грегори Бенфорда есть несколько очерков о тенденции человеческого мышления к разделению на два типа[8]. В рамках первого Вселенная рассматривается на фоне человечества, а в рамках второго – человечество на фоне Вселенной. Конечно, любой человек, в принципе, может мыслить и так, и эдак, однако большинство из нас обычно придерживается какого-то одного способа. Основная масса попыток разделить людей на две определённые категории – полнейшая чепуха. Это как в одном бородатом анекдоте: «Все люди делятся на два типа: те, кто думает, что люди делятся на два типа, и те, кто так не думает». Но всё же в оригинальном варианте, предложенном Бенфордом, есть здравое зерно, и даже более.
Его идею можно изложить следующим образом. Многие люди видят окружающий мир, то есть Вселенную, как источник ресурсов, а кроме того – как отражение самих себя. Для них самое важное, что в центре системы помещается человек, иначе говоря, она антропоцентрична. «Какую пользу мне может принести Вселенная?» – вот единственный вопрос, имеющий для них смысл. С этой точки зрения понять что-либо – значит выразить в терминах человеческой деятельности. При этом на первое место выступает человеческое предназначение Вселенной и то, зачем она нужна нам, любимым: дождь идёт только затем, чтобы хорошо росли наши посевы, а также для обеспечения нас пресной водой; Солнце светит, чтобы нас согревать. С самого начала, когда задумывалась Вселенная, подразумевалось наше существование, поэтому она была сконструирована таким образом, чтобы нам в ней было удобно жить. И если бы нас не было, в существовании Вселенной не было бы никакого смысла.
Отсюда рукой подать до взгляда на человека как на венец творения, повелителя планет и хозяина Универсума. Мы можем так считать, даже не сознавая того, насколько антропоцентрическое мировоззрение ограничено. И утверждать, что думаем подобным образом лишь из смирения, а вовсе не из гордыни, ведь мы все подвластны творцу Вселенной. Последний же – эдакий «супермен» (король, император, фараон, господин), чья власть простирается далеко за пределы нашего воображения.
Альтернативная точка зрения представляет человечество как пылинку в бескрайнем космосе, большая часть которого функционирует вне человеческого масштаба и независимо от наших на неё упований. Дожди на Земле идут миллиарды лет, в то время как земледелие существует всего около сотни веков. В структуре космоса люди – всего лишь одна из незначительных подробностей поверхности каменного шарика, бо́льшая часть бытия которого прошла ещё до того, как мы с вами появились и смогли заинтересоваться происходящим вокруг. Мы, может быть, и пуп земли в той микроскопической части Вселенной, которая касается нас непосредственно, но за пределами нашей планеты ничто происходящее от нас не зависит. Ну, кроме разве что забавных крупинок металла и пластмассы, брошенных на поверхности Луны и Марса или болтающихся на орбитах Меркурия, Юпитера, Сатурна и окраинах Солнечной системы. Мы могли бы сказать, что Вселенной безразлично наше существование, однако и это утверждение отдаёт самолюбованием, поскольку оно наделяет космос человеческим свойством – безразличием. Там нет никого, кто способен испытывать безразличие. Мир функционирует вне человеческих правил и категорий.