О том, чего мы не можем знать. Путешествие к рубежам знаний - Маркус Дю Сотой

Все это изменилось в конце 1960-х гг. благодаря результатам, полученным в экспериментах в Стэнфордском центре линейного ускорителя[47], в которых протоны бомбардировали электронами. В соответствии с анализом заряда протона предполагалось, что его размеры должны составлять порядка 10–15 м. Считалось, что протон должен быть однородно распределен по этой малой области. Однако, когда на сгусток протонов направили электроны, экспериментаторы были поражены полученной картиной рассеяния. Как и в случае удививших Резерфорда результатов бомбардировки атомов золота альфа-частицами, оказалось, что протон, как и атом, в основном состоит из пустого пространства.

Картина рассеяния соответствовала протону, состоящему из трех частиц меньшего размера. Как и в опытах Резерфорда, какой-нибудь электрон время от времени точно попадал в одну из этих трех точек и отражался обратно, в направлении источника электронов. Эксперимент, по-видимому, подтверждал представление о протоне, состоящем из трех кварков. Хотя никто никогда не видел отдельного кварка, картина рассеяния электронов указывала на то, что три более мелкие частицы, из которых образован протон, действительно существуют.

Выяснилось, что тупицы были правы. Верхний, нижний и странный кварки оказались не просто математическими фокусами, но элементами физической реальности. Затем выяснилось, что этих трех кварков недостаточно для всех новых частиц, и в конце концов у нас оказалось шесть кварков и соответствующие им античастицы. В дополнение к трем кваркам, окрещенным Гелл-Манном, появились еще три: очарованный кварк, истинный кварк и прелестный кварк[48].

Открытие этого способа упорядочения зверинца физических частиц при помощи математики симметрии стало одним из самых захватывающих открытий ХХ в. Увидеть, как все эти фундаментальные частицы выстраиваются в готовые схемы, уже существовавшие в математике симметрии, наверное, было совершенно восхитительно. Если бы я выбирал, какое физическое открытие хотел бы совершить, это открытие имело бы хорошие шансы на победу. Мне кажется, это было похоже на ощущения археолога, который находит узор, до сих пор встречавшийся только на другом конце света. Когда обнаруживаешь такие характерные узоры, становится очевидно, что между этими двумя культурами должна существовать какая-то связь.

Странная особенность этой пирамиды из треугольников и шестиугольников, соответствующих различным представлениям группы SU(3), заключается в том, что она продолжается до бесконечности, из чего следует, что, склеивая вместе все больше и больше кварков, можно получать все новые и новые экзотические частицы. Физическая модель, по-видимому, заканчивается на уровне, в котором располагаются частицы, собранные из трех кварков. Однако в 2015 г. появились волнующие сообщения об обнаружении на LHC свидетельств существования частицы, состоящей из пяти кварков. Исследователи из ЦЕРН чуть не упустили эту частицу, которую назвали пентакварком, приняв ее за фоновый шум. Но, когда они попытались удалить этот шум, они обнаружили мощный сигнал, указывающий на следующий уровень пирамиды симметрий. Как сказал один из ученых, работающих в ЦЕРН: «Мы не искали пентакварк. Это он нас нашел».

До каких пределов мы можем углубляться в математику в поисках предсказаний того, что еще можно увидеть на LHC? Например, существует ли еще более крупный симметричный объект под названием SU(6), который может объединить все шесть кварков – верхний, нижний, странный, очарованный, истинный и прелестный – в множество потрясающих частиц. Тогда вместо двумерной схемы, в которой мы распределяли частицы по семействам, понадобилась бы схема пятимерная. Хотя создание некоторых из таких более экзотических комбинаций кварков и представляется возможным, различия между массами кварков становятся все больше, что приводит к нарушению прекрасной математической симметрии и делает реальное существование таких частиц все менее вероятным. Например, t-кварк настолько нестабилен, что распадается, даже не успев соединиться с каким-нибудь другим кварком. Физики не могут ответить на вопрос о причинах таких различий между массами кварков – то есть пока не могут. Математика, по-видимому, предлагает гораздо большее разнообразие частиц, чем может выдержать физическая реальность. Реальность кажется лишь бледной тенью математических возможностей. Однако понимание даже этой реальности по-прежнему остается непростым делом.

Я должен признать, что, даже имея в своем распоряжении математический аппарат, на разработку которого я потратил многие годы, я не уверен, что действительно понимаю, что такое кварки. Я провожу целые месяцы за изучением книг по физике элементарных частиц, таких как «Квантовая механика и частицы природы»[49] Энтони Садбери, и конспектов лекций оксфордских курсов по симметрии и физике элементарных частиц. И вот, сидя тут в окружении всех этих историй о внутреннем устройстве моей игральной кости, я понемногу начинаю впадать в отчаяние. Того, чего я все еще не знаю, так много: интегралы по путям, описывающие будущее частиц, внутреннее устройство уравнений Клейна – Гордона, точный смысл диаграмм Фейнмана, которые физики с такой легкостью рисуют на доске… Я с завистью смотрю на своего сына, который только начинает изучать физику. У него будет время погрузиться в этот мир, узнать все это так же близко, как я знаю область своей работы.

То же и с виолончелью. Я взрослый человек и хочу играть сюиты Баха сейчас, а не через десять лет. Но обучение трубе заняло у меня годы, и только медленная, постепенная, настойчивая учеба может вывести меня на тот уровень, на котором я смогу играть эти сюиты. По крайней мере, в этом месяце мне наконец удалось сдать экзамены за третий класс. Я сам удивился, как я нервничал. Смычок трясся у меня в руках. И хотя вокруг меня были сплошные одиннадцатилетки, ждавшие своего экзамена по блок-флейте за первый класс, чувство успеха все равно было очень приятным.

Я знаю, что, как и в случае с виолончелью, если я проведу достаточно долгое время в мире физики элементарных частиц, у меня есть надежда узнать кое-что из того, чем мои коллеги с физического факультета в соседнем корпусе живут изо дня в день. Меня пугает сознание того, что мне не хватит времени узнать все. Но даже те физики, которые с такой завидной для меня легкостью играют с нашим современным уровнем знаний, признаю́т, что никогда не смогут точно знать, что знают всё.

Чтобы узнать, думают ли специалисты в области физики элементарных частиц, что известная нам сегодня кварковая головоломка может быть составлена из еще более мелких кусочков, я договорился о встрече с одной из тех, кто открыл один из последних фрагментов этой головоломки. Мелисса Франклин, ставшая сейчас профессором в Гарварде, была одним из участников группы, которая обнаружила t-кварк в эксперименте, проведенном в Фермилаб[50]. В противоположность распространенному мнению открытие частицы – это не момент озарения, а долгий и медленный процесс. Но Франклин считает, что так даже лучше: «Если бы это был просто “бум!”, было бы неинтересно. Тратишь 15 лет на строительство машины, а потом вдруг бум! – и все кончено? Ужас». Сбор данных, начатый в 1994 г., занял около года, и только в 1995-м исследовательская группа решила, что получено достаточно доказательств, чтобы уверенно подтвердить открытие этой частицы, предсказанной математиками.