Коллайдер: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Эйнштейн быстро понял, что новоиспеченное пространство-время может сослужить хорошую службу при создании новой теории гравитации. Хотя Эйнштейн признавал успехи ньютоновской теории всемирного тяготения, ему хотелось объяснить гравитацию в чисто локальных терминах, в терминах геометрии самого пространства-времени. Взяв за основу факт независимости ускорения свободного падения от массы тела, Эйнштейн сформулировал так называемый принцип эквивалентности, который гласит: покоящиеся и свободно падающие системы отсчета физически неразличимы. От этой отправной точки он пришел к тому, что соотнес между собой гравитационные эффекты в заданной области пространства-времени с геометрией этой области. Материя, предположил Эйнштейн, прогибает пространство-время, и это искривление заставляет тела двигаться по изогнутым траекториям. Например, Солнце исказило пространство-время вокруг себя, поэтому Земле не остается ничего иного, как двигаться по эллиптической орбите. Получается, источником силы тяготения являются не эфемерные канаты, а кривизна пространства-времени. Свое элегантное объяснение сил тяготения - общую теорию относительности - Эйнштейн опубликовал в 1915 г.

Проиллюстрируем общерелятивистскую связь между материей и искривлениями пространства на простом примере. Представим себе пространство-время в виде матраса. Если на нем ничего не лежит, поверхность идеально ровная. Тут приползает ленивец и решает на этом матрасе прикорнуть. Когда он ложится, матрас под ним проседает. Поэтому, если у ленивца с собой есть еще детеныш, из-за неровной поверхности отпрыск будет скатываться к своему родителю. Так же и Солнце прогибает «матрас» пространства-времени в Солнечной системе, и все планеты, оказавшиеся поблизости, неизбежно двигаются по искривленным орбитам.

У общей теории относительности есть еще одно удивительное свойство - она проливает свет на происхождение Вселенной. Вкупе с астрономическими наблюдениями она предсказывает, что у времени было начало, причем в этот момент космос находился в невероятно горячем и плотном состоянии. За миллиарды лет пространство расширилось и из крошечной области превратилось в огромный контейнер, вмещающий в себя свыше миллиарда галактик, от миллиардов до сотен миллиардов звезд в каждой.[9]

Эйнштейн не ожидал, что его теория вместо статической даст расширяющуюся Вселенную. Подставив в свои уравнения более-менее разумное распределение материи, он с удивлением увидел, что получающаяся геометрия оказывается неустойчивой: начинает расширяться или сжиматься от малейшего толчка. Так карточный домик рассыпается от любого ветерка. Что-то не то, подумал Эйнштейн, уверенный в неподвижности космоса в больших масштабах. Чтобы спасти свою теорию от неустойчивых решений, он добавил в уравнение дополнительное слагаемое, космологическую постоянную (или лямбда-член). Она могла служить своего рода «антигравитацией», не дающей материи скучиваться на больших масштабах.

Пришел 1929 г., год неожиданного открытия американского астронома Эдвина Хаббла. Из наблюдений, проведенных в обсерватории Маунт-Вильсон в Южной Калифорнии, следовало, что все остальные галактики во Вселенной, кроме разве что самых близких к Млечному Пути, от нас удаляются. То есть мы воочию видим расширение пространства. Обратив этот процесс назад в прошлое, ученые пришли к потрясающему выводу: когда-то Вселенная была гораздо меньше, чем сейчас. Эту гипотезу окрестили гипотезой Большого взрыва.

Когда Эйнштейн осознал значение открытия Хаббла, он отказался от космологического члена, назвав его своим «величайшим заблуждением». В итоге в науку вошла модель нестационарной Вселенной. Ее создатель русский математик и метеоролог Александр Фридман показал, что дальнейшее поведение Вселенной зависит от ее плотности. Если плотность больше или равна критической, расширение будет продолжаться, а если меньше, то сменится сжатием. Сравнительно недавние наблюдения указывают, однако, на то, что Вселенная расширяется, кроме всего прочего, ускоренно. Поэтому многие теоретики предложили вернуть космологическую постоянную, чтобы объяснить всемирное ускорение.

Сегодня благодаря подробным измерениям реликтового излучения, оставшегося от Большого взрыва, ученые в целом понимают, как развивалась ранняя Вселенная и как рождалась ее структура. Это излучение было испущено первыми образовавшимися атомами, а затем охладилось вместе с расширением Вселенной. Поэтому оно дает мгновенный снимок юной Вселенной, показывает, какие области были плотнее, а какие - разреженнее. Теоретические достижения Эйнштейна плюс современные астрономические данные открыли нам окно в прошлое. На сегодняшний день ученые могут уверенно рассуждать о том, что происходило спустя считанные секунды от начала времен.

Отвечая на фундаментальные вопросы об устройстве космоса, наука до сих пор шла семимильными шагами. Нашими всеобъемлющими знаниями о компонентах материи, фундаментальных силах и о строении Вселенной мы обязаны недюжинным успехам химии, физики, астрономии и смежных дисциплин. Но наша любознательность не оставляет нам иного выбора, кроме как попытаться перевести стрелки времени еще ближе к моменту рождения Вселенной - к одной триллионной секунды после Большого взрыва - и понять первопринципы, стоящие за всем сущим.

Заново увидеть Большой взрыв мы не сможем. Но некоторые условия этого огненного начала нам позволит воспроизвести Большой адронный коллайдер в столкновениях частиц высоких энергий. С помощью релятивистского конвейера, превращающего энергию в массу, он сможет породить частицы, которые существовали в ту эпоху, когда возраст физической реальности исчислялся считанными мгновениями. БАК также даст возможность нащупать у природных сил общие корни. В каше осколков, летящих от столкновения частиц на околосветовых скоростях, мы, может быть, найдем ключ к тайне разрушенного единства.

У жителей Женевы уже вошло в привычку в неразберихе улавливать ценные идеи. Всего в 10 км от БАК приютился очаровательный исторический центр Женевы. Старинным улицам и площадям революции не в новинку: здесь Жан Кальвин проповедовал религиозное свободомыслие, а Жан-Жак Руссо пропагандировал идею общественного договора. Вскоре Женева увидит еще один революционный переворот - переворот в понимании фундаментальных основ мироздания.

В поисках теории всего сущего

В сердце Женевы поднимается к небу величественный собор Св. Петра. Возводившийся в период с 1160 по 1232 г., он был выполнен в характерном для того времени строгом романском стиле, который отличают правильные пропорции. Торжественные своды и возносящиеся в небо башни идеально сочетаются друг с другом (левая сторона визуально уравновешивает правую), подчеркивая единство божественного замысла.

Одни религиозные взгляды, приходящие с течением веков на смену другим, не прошли для собора бесследно. В XVI в. набиравшая обороты Реформация вылилась в бездумное надругательство над внутренним убранством собора Св. Петра. Ломались статуи, замазывались белилами настенные фрески… Архитектурный разнобой еще больше усилился, когда в 1750 г. средневековый фасад получил неоклассический облик.

Многие физики считают, что и Вселенная однажды представляла собой построенный без затей собор, простой и гармоничный. Согласно этой точке зрения, первоначально в космосе, как и в мастерски спроектированном нефе, противоположности уравновешивали друг друга - было поровну положительных и отрицательных зарядов, материи и антиматерии, лептонов и кварков, фермионов, бозонов и всего остального. Когда же Вселенная вылупилась из своего горячего и маленького кокона, эта симметрия сама по себе распалась. Так что космос в чем-то напоминает женевский собор - теперь тут тот же разнобой.

Одна из главных задач Большого адронного коллайдера - провести нечто вроде археологических раскопок и попытаться собрать вместе осколки когда-то стройной картины. Познав первоначальную симметрию, мы как нельзя ближе подойдем к тому, чтобы собрать все частицы и силы во Вселенной в одну большую семью. И самый верный способ этого добиться - заглянуть в первые мгновения существования Вселенной. Беспрецедентные энергии БАК позволят в масштабе элементарных частиц проиграть условия, в которых пребывал космос спустя доли секунды после Большого взрыва. БАК не воспроизведет сам Большой взрыв. Хотя энергии в расчете на одну частицу будут сравнимые, общая энергетика окажется несравнимо меньше. Это как исследовать эрозию пляжей, выливая пригоршню воды на песчаный холмик. Представление о влиянии океанических приливов на небольшой участок пляжа так получить можно, но вряд ли разумно претендовать на мощь целого Тихого океана.

Намеки на первородное симметричное состояние теоретикам дают сохраняющиеся или почти сохраняющиеся величины в природе, наблюдаемой нами сегодня. Такая неполная симметрия привела к созданию изящной Стандартной модели. Стандартная модель - это математический способ описать две фундаментальные силы природы: электромагнетизм и слабое взаимодействие (оно проявляется в некоторых распадах). Неоднократно предпринимались попытки добавить в общую схему хотя бы одну из оставшихся сил: сильное взаимодействие (удерживающее вместе атомные ядра) и гравитацию.

В пример можно привести Эйнштейна, который последние десятилетия своей жизни пытался расширить общую теорию относительности за счет электромагнетизма. Он был уверен, что в законах природы кроются следы первоначальной гармонии. В конце концов, надеялся Эйнштейн, эти скрытые универсальные принципы проявятся в трудоемких математических вычислениях. К сожалению, все было напрасно. В 1955 г. великий физик умер, так и не найдя подходящего ответа на свои вопросы.

Спустя десятилетия после смерти Эйнштейна на научной арене утвердилась пока единственная удачная теория объединения - Стандартная модель электрослабого взаимодействия, вместившая в себя электромагнетизм и слабые силы. Но создать даже эту пару стоило больших усилий и изобретательности. В привычных для нас условиях электромагнетизм и слабое взаимодействие серьезно различаются по многим пунктам. Электромагнетизм вездесущ: он на первых ролях и в крошечном атоме, и в размашистой молнии. Что касается слабых сил, их удел - исключительно субатомные масштабы. Во-вторых, электромагнитное взаимодействие, конечно, заставляет заряженные частицы притягиваться или отталкиваться, но оно не способно изменить их заряд или превратить их друг в друга. Протон и электрон, как бы ни стремились навстречу друг другу, не могут «поменяться телами». Слабые же силы ведут себя обычно как маленькие мародеры, не стесняясь отнимать у частиц их заряд и другие свойства. Например, это взаимодействие приводит к бета-распаду, процессу, сопровождающемуся превращением незаряженного нейтрона в протон.

Наблюдательные теоретики, однако, заметили, что у протона и нейтрона близкие (но не одинаковые) массы. Тогда ученые подумали, а не намекает ли этот переход одной частицы в другую на когда-то царившую симметрию, которая потом нарушилась? Ведь Колокол Свободы тоже в свое время звонил, как его собратья, вышедшие из одного с ним литейного цеха, но с возрастом нажил изъяны. Так, может быть, электромагнетизм и слабое взаимодействие - близнецы-братья, просто воспитывались в разной среде?

Идея спонтанного нарушения симметрии, лежащая в основе Стандартной модели, зародилась в недрах совсем другой области физики, в исследованиях сверхпроводимости. Некоторые материалы, будучи охлажденными до экстремально низких температур, полностью теряют сопротивление и становятся идеальными проводниками. «Холодные» токи при этом не дают внешнему магнитному полю проникнуть внутрь и как бы выталкивают его. Сверхпроводящими магнитами пронизан весь БАК. Они создают мощные поля, нужные, чтобы гонять частицы по кругу и фокусировать их в плотные пучки.

В 1957 г. Джон Бардин, Леон Купер и Дж. Роберт Шриффер (БКШ) предложили удачную квантовую теорию, объясняющую, как в материалах возникает сверхпроводящее состояние. Во главу угла она ставит особую взаимосвязь между электронами, образующими так называемые куперовские пары. Создав пару, электроны начинают, как ретивые солдаты, синхронно маршировать. После этого им никакое сопротивление не страшно, и они идеально проводят ток.

На вопрос, почему спаренные электроны могут идти в ногу, а одиночные нет, отвечает небезызвестный принцип Паули. Все элементарные частицы разбиваются на два класса: фермионы и бозоны. К примеру, электрон (вне куперовской пары) - это фермион, а фотон - это бозон. Принцип запрета Паули, играющий в квантовой механике огромную роль, гласит: два фермиона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. К бозонам этот принцип не относится - их в одном состоянии может быть сколько угодно. Это как в летнем лагере: дети (бозоны) спят в одной большой комнате, а воспитателям (фермионам) полагаются отдельные спальни. Конечно, у первых соблазн сбиться в кучу больше, чем у вторых. Поэтому неудивительно, что бозоны делают все заодно. И хотя куперовская пара состоит из двух фермионов, ведет она себя как бозон, для которого маршировать в ногу естественно.

У сверхпроводимости есть смертельный враг - тепло. При достаточно высокой температуре - для каждого материала она своя - синхронность нарушается, и сверхпроводник теряет свое исключительное положение среди проводников. Этот переход напоминает превращение кристаллов льда в жидкую воду и называется фазовым переходом.

Четыре года спустя после публикации теории БКШ американский физик японского происхождения Йоитиро Намбу заметил, что ее положения вполне можно применить к нарушению симметрии в физике элементарных частиц. Только что произошел

Большой взрыв, Вселенная расширяется, температура падает, и, возможно, происходит фазовый переход: бозоны вдруг согласовывают свои действия, и неорганизованная толпа разбивается на группы. За это выдающееся открытие в 2008 г. Намбу была присуждена Нобелевская премия.

История получила продолжение. В 1964 г. британский физик Питер Хиггс придумал такой тип бозонов, которые своей массой были обязаны спонтанному нарушению симметрии, его особой разновидности. Кроме того, получив массу сам, этот бозон наделял массой и другие частицы. Хотя его в итоге назвали в честь Хиггса, примерно в то же время независимо были предложены и другие похожие механизмы. Отметим здесь работу Джеральда Гуральника, К. Ричарда Хагена и Тома Киббла, а также вклад Франсуа Энглера и Роберта Браута.

В квантовой физике энергия поля определяется потенциалом, в котором оно «живет». Потенциал - это что-то вроде набора холмов, ям и склонов. Вместе они диктуют, как меняется энергия в зависимости от положения. Например, в скалистом потенциале резкие скачки энергии неизбежны в отличие от потенциала типа «плато». А Хиггс заставил свой бозон поселиться в особом потенциале - в форме дна бутылки от шампанского. Причем при высоких температурах бозон обитает в центральной части, а при низких - с краю. Когда температура падает ниже критической, бозон скатывается с вершины (ложный вакуум) вниз к краю (истинный вакуум) и приходит в основное состояние. Случайное место, которое бозон займет на окружности (дно бутылки с шампанским, помните?), определит вакуум во всем пространстве. (Кстати, на это место математически указывает фаза, особый внутренний параметр, «смотрящий» под разными углами - как стрелки в часах.) Именно поэтому вакуум получается единым для всех частиц, и каждая из них лишена возможности выбирать ту фазу, которая ей заблагорассудится. В результате первоначальная симметрия случайно, или, как говорят, спонтанно, нарушается.

Чтобы поближе познакомиться с этим явлением, представим себе стройку: будущий коттеджный поселок, а пока - шахматная доска из правильных квадратных участков. До появления домов еще долго, так что все участки похожи друг на друга как капли воды. Нельзя сказать, где у них север, а где юг. Допустим, вышло распоряжение местных властей, предписывающее выдерживать определенное расстояние между домами. Если один из домов поставить строго посередине участка, все остальные будут вынуждены под него подстроиться, и симметрия будет выдержана во всем поселке. Так ведут себя бозоны Хиггса при высоких температурах. А теперь, например, первый дом построили в юго-западном углу участка. Чтобы не пойти против распоряжения, дома по соседству тоже придется возвести в юго-западных частях их участков. В конце концов все дома в поселке будут несимметрично стоять в юго-западных углах. И все из-за одной-единственной местной прихоти. Если бы первый дом возвели в северо-восточном углу участка, общая архитектура снова, пожалуй, поменялась бы на тот же манер. Аналогично фаза, выбираемая бозоном Хиггса в одном месте, задает в итоге общую фазу.

Вывод Хиггса был таков: как только фаза бозона определилась, он благодаря ненулевому значению поля приобретает массу. Она не берется из ниоткуда, ведь энергия скатившегося с вершины поля увеличилась, а где энергия, там и масса (один из результатов специальной теории относительности Эйнштейна). Более того, взаимодействуя с другими частицами, бозон Хиггса и им придает их собственные массы. Не так уж невероятно, что все массивные частицы во Вселенной своей массой обязаны «хиггсу». За способность доставать массу словно из ниоткуда бозон Хиггса прозвали «божественной частицей», заставив автора этой идеи несколько смутиться. Скромный ученый долго привыкал к частице-тезке, да еще наделенной божественными чертами.

Идея Хиггса была настолько непривычной, что ведущий европейский журнал «Физикс Леттерс» отклонил его первую статью. Позже Хиггс вспомнит свое разочарование: «Я негодовал. Я считал, мои результаты могут быть полезными в физике элементарных частиц. Как-то потом мне коллега… из ЦЕРНа сказал, что теоретики там не понимают, в чем ценность моего предложения…»

[9] Кроме таких есть и менее населенные галактики. - Примеч. пер.