Достучаться до небес. Научный взгляд на устройство Вселенной - Лиза Рэндалл

Сделать это без труда удается редко. Тем не менее, несмотря на проблемы и интуитивно непонятные результаты, иногда получаемые в ходе экспериментов, окружающая действительность реальна. Законы природы, даже те, что действуют на крохотных расстояниях, порождают измеримые следствия, до которых рано или поздно добираются самые изобретательные исследователи. Наши сегодняшние знания о веществе и его взаимодействиях — это квинтэссенция многих лет наблюдений, озарений, инноваций и теоретических разработок, позволяющих нам непротиворечиво объяснить огромное разнообразие экспериментальных результатов. При помощи непрямых наблюдений, начало которым положил несколько веков назад Галилей, физики выяснили, что скрывает вещество в своих глубинах.

Теперь мы поговорим о современном состоянии физики элементарных частиц, о теоретических прорывах и экспериментальных открытиях, которые привели нашу науку к ее нынешнему состоянию. Конечно, рассказ об этом будет похож скорее на сухой список: мне придется перечислить ингредиенты, входящие в состав вещества, и рассказать, как каждый из них был открыт. Список станет куда интереснее, если не забывать о том, что эти разнообразные ингредиенты на разных масштабах ведут себя очень по–разному. Кресло, в котором вы сидите, в итоге можно разложить на эти элементы, но, для того чтобы разобраться в его подлинной структуре, понадобилась длинная цепочка открытий.

Ричард Фейнман в свое время пошутил, говоря об одной из своих теорий: «Если она вам не нравится, отправляйтесь куда‑нибудь в другое место — может быть, в другую Вселенную, где правила проще…» Возможно, некоторые утверждения или предположения, которые кажутся нам истинными, слишком громоздки и невнятны. Но человеческое нежелание их принимать, не изменит того факта, что природа устроена именно так — сложно и запутанно.

Маленькие расстояния кажутся нам непривычными. Мы не можем узнать, что происходит на самых маленьких расстояниях, без специальных крохотных инструментов. Страница (или экран), которую вы сейчас читаете, выглядит совершенно не так, как элементы, из которых состоит ее вещество. Все дело в том, что человеческое зрение по природе своей основано на наблюдении видимого света. Этот свет излучают электроны, находящиеся на орбитах вокруг центров атомов. Как показано на рис. 14, длина волны видимого света не настолько мала, чтобы позволить нам заглянуть внутрь ядра.

Нам нужно быть умнее — или смелее — и определить, что происходит в атоме на крохотных расстояниях, сравнимых с размером ядра. Для этого необходимо излучение с гораздо меньшей длиной волны, чем у видимого света. Поверить в это, пожалуй, нетрудно. Представьте себе воображаемую волну, длина которой равна размеру Вселенной. С чем бы эта волна ни взаимодействовала, информации от этого взаимодействия не хватит, чтобы обнаружить в пространстве хоть что‑нибудь. Если в этой волне не будет более коротких колебаний, у нас не будет возможности определить — одной только гигантской волной никак не обойтись, —что какой‑то определенный объект находится в каком‑то определенном месте. Это как если накрыть кучу вещей мелкой сетью и спросить, где в этой куче находится ваш бумажник. Вы не сможете его отыскать без инструмента с достаточным разрешением, который позволил бы заглянуть внутрь кучи и различить там более мелкие вещи.

Если имеешь дело с волнами, нужно, чтобы их гребни и впадины располагались на правильном расстоянии, примерно соответствующем размеру объекта, который ученые пытаются рассмотреть. Волна в этом смысле подобна сети, размер ячейки которой соответствует длине волны. Если известно только, что в сети что‑то есть, это «что‑то» гарантированно находится в пределах области, по размерам соответствующей размерам сети. Чтобы узнать о положении объекта точнее, потребуется либо сеть с меньшими ячейками, либо другой способ поиска неоднородностей в более мелком масштабе.

Квантовая механика говорит нам, что по характеристикам волны можно судить о вероятности обнаружения частицы в конкретной точке пространства. Волны, о которых идет речь, могут быть обычными световыми волнами, а могут оказаться теми, которые несет в себе каждая отдельная частица. Длина такой волны говорит нам о том, на какое минимальное разрешение мы можем рассчитывать, если будем зондировать малые расстояния с помощью частицы или излучения.

Квантовая механика также утверждает, что короткие волны требуют высоких энергий. Дело в том, что с энергией связана частота, и волны самой высокой частоты — с самой короткой, соответственно, длиной — несут в себе максимальную энергию. Таким образом, квантовая механика связывает высокие энергии и малые расстояния и подсказывает нам, что только эксперименты, оперирующие высокими энергиями, могут помочь ученым проникнуть в тайны внутреннего устройства вещества. Именно по этой принципиальной причине для зондирования самой сердцевины вещества и его фундаментального строения нам необходимы устройства, способные разгонять частицы до высоких энергий.

О том, что высокие энергии позволяют исследовать крохотные расстояния и взаимодействия на этих расстояниях, говорят и квантово–механические волновые соотношения. Чем меньшие расстояния мы хотим рассмотреть, тем более высокие энергии — и, следовательно, более короткие волны — нам потребуются. Квантово–механический принцип неопределенности, утверждающий, что малые расстояния связаны с большими импульсами, получает дополнение в лице специальной теории относительности, которая устанавливает связь между энергией, массой и импульсом и делает эту связь более отчетливой.

Ко всему прочему, Эйнштейн научил нас, что энергия и масса взаимозаменяемы и могут превращаться друг в друга. Так, при столкновении частиц их масса может обернуться энергией, поэтому чем выше энергия, тем более тяжелые материальные частицы могут быть получены, так как Е = mc2. Это уравнение означает, что высокая энергия — Е — делает возможным создание более тяжелых частиц с большей массой — m. И эта энергия носит всеобщий характер, из нее может возникнуть частица любого типа, если только она кинематически возможна (иначе говоря, достаточно легка).

Таким образом, высокие энергии, исследованием которых мы занимаемся в настоящее время, — это мостик к меньшим расстояниям и размерам, а возникающие в ходе эксперимента частицы — ключ к пониманию фундаментальных законов природы, действующих на этих расстояниях. Любые новые частицы и взаимодействия, проявляющиеся на малых расстояниях, могут стать ключом к пониманию основы так называемой Стандартной модели элементарных частиц — наших нынешних представлений о самых базовых, самых фундаментальных структурных элементах вещества и их взаимодействиях. Теперь давайте рассмотрим некоторые ключевые открытия, связанные со Стандартной моделью, и методы, которые используют сегодня ученые, чтобы еще немного продвинуться в этом направлении.

Все объекты в атоме — электроны, обращающиеся вокруг ядра, и кварки, удерживаемые глюонами внутри протонов и нейтронов — были экспериментально обнаружены учеными при помощи Миниатюрных «зондов» с высокими энергиями. Мы уже видели, что электроны в атоме привязаны к ядру силой притяжения противоположных электрических зарядов. Благодаря этой силе энергия системы в целом — атома — оказывается ниже, чем суммарная энергия отдельных его элементов. Поэтому, для того чтобы выделить и исследовать электроны, кто‑то должен передать атому достаточно энергии, чтобы его ионизировать — иначе говоря, освободить электроны, оторвав их от ядра. Отдельный электрон для физиков гораздо удобнее: его свойства, такие как заряд и масса, можно исследовать.