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

По правде говоря, эксперименты в физике элементарных частиц вовсе не так просты, как кажется, даже если речь идет об изучении точных фундаментальных величин. Представляя полученные результаты, ученые непременно сталкиваются с одной из двух проблем. Если они увидели что‑то необычное, то должны доказать, что это не может быть результатом какого‑то тривиального события в рамках Стандартной модели. Если они не увидели ничего нового, то, прежде чем заявлять, что этого нового не существует в рамках тех ограничений, которые установлены для исследователей в данный момент, они должны быть полностью уверены в том, что эксперименты проводились при адекватном уровне точности. Физики должны разбираться в чувствительности измерительной аппаратуры достаточно хорошо, чтобы понимать, что можно исключить, а что необходимо учитывать.

Чтобы быть уверенными в результате, экспериментаторы должны четко отличать те явления, что могут свидетельствовать о новой физике, от фоновых событий, возникающих в результате взаимодействия известных физических частиц Стандартной модели. Именно поэтому, чтобы сделать открытие, нам нужно увидеть множество столкновений. Из множества столкновений можно выбрать достаточно событий, представляющих новую физику, чтобы надежно отличить их от «скучных» процессов Стандартной модели, на которые они могут оказаться похожи.

Таким образом, любой наш эксперимент требует набора достаточной статистики. Самим измерениям тоже присущи неопределенности, которые делают многократное повторение необходимым. Квантовая механика говорит нам, что базовые события также обладают внутренней неопределенностью. Согласно законам квантовой механики, как бы хитроумно мы ни планировали эксперименты, в результате мы сможем получить лишь вероятность взаимодействия. Как бы мы ни проводили измерения, эта неопределенность никуда не денется. Это означает, что единственный способ точно измерить силу взаимодействия — повторить измерение много раз. Иногда эта неопределенность меньше, чем погрешность измерения, и вообще слишком мала, чтобы иметь значение. Но иногда ее необходимо принимать во внимание.

Квантово–механическая неопределенность говорит нам, к примеру, что масса распадающейся частицы неоднозначна по определению. Исходя из принципа неопределенности ни одно измерение энергии не может быть точным, если оно сделано за конечное время. Понятно, что время измерения должно быть короче, чем время жизни распадающейся частицы, и это определяет ожидаемые пределы вариации измеряемых масс. Так что если экспериментаторы обнаружили бы свидетельства существования новой частицы — те частицы, на которые она распалась, — то измерение ее массы потребовалось бы провести много раз. Ни одно из этих измерений не было бы точным, но среднее по всем измерениям значение сходилось бы к верной величине.

Во многих случаях квантово–механическая неопределенность массы меньше, чем систематическая погрешность (неизбежная ошибка) измерительной аппаратуры. Если это так, экспериментаторы могут просто не обращать внимания на квантово–механическую неопределенность массы. Но и в этом случае необходимо провести большое количество измерений, чтобы обеспечить их сходимость; причина — в вероятностном характере рассматриваемых взаимодействий. Как и в случае с испытаниями лекарственных средств, для получения верного ответа необходим большой объем статистических данных.

Важно понять, что вероятности, связанные с квантовой механикой, не совсем случайны. Вообще, эти вероятности вычисляются по вполне определенным законам. Мы убедимся в этом в главе 14, когда речь пойдет о массе W–бозона. Нам известна общая форма кривой, описывающей вероятность того, что в результате столкновения родится именно эта частица с заданной массой и заданным временем жизни. Результаты измерения энергии группируются вокруг верной величины, а их распределение согласуется с временем жизни частицы и принципом неопределенности. Хотя ни по одному из измерений в отдельности нельзя определить массу, по совокупности множества измерений это сделать можно. Существует вполне определенная процедура, позволяющая вывести массу частицы из среднего результата многократно повторенных измерений. Если измерений достаточно, экспериментаторы могут определить верную массу с определенным уровнем прецизионности (сходимости) и точности (правильности).

Вероятностная природа квантовой механики не подразумевает, что мы, по сути, ничего не знаем. Более того, зачастую все обстоит как раз наоборот. Нам известно достаточно много. К примеру, магнитный момент электрона — это его неотъемлемая характеристика, которую мы можем вычислить с высочайшей точностью при помощи квантовой теории поля, в которой сочетаются квантовая механика и специальная теория относительности и которая служит инструментом для изучения физических свойств элементарных частиц. Мой коллега по Гарварду Джеральд Гэбриелз измерил магнитный момент электрона с точностью до 13 значащих цифр, и он согласуется с прогнозом примерно в такой же степени. Уровень погрешности здесь составляет менее одной триллионной, что делает магнитный момент электрона физической константой, для которой теоретический прогноз и результат измерений согласуются лучше всего.

Никто, кроме физиков, не способен с такой точностью прогнозировать явления окружающего мира. Большинство людей при виде такой точности сказали бы, что и теория, и предсказанные ею явления известны абсолютно точно. Ученые же считают, что измерения и наблюдения, какими бы точными они ни были, всегда оставляют место для неожиданных открытий и новых идей.

Однако они всегда могут определить конкретный предел для масштаба этих новых явлений. Новые гипотезы могут изменять предсказания, но лишь на уровне неопределенности сегодняшних измерений или на еще более тонком уровне. Иногда предсказанные новые эффекты так слабы, что мы не надеемся добраться до них даже за время жизни Вселенной; в подобных случаях даже ученые способны делать определенные заявления типа: «Этого не произойдет никогда».

Очевидно, измерения Гэбриелза свидетельствуют о том, что квантовая теория поля верна с очень высокой степенью точности. Но даже в этом случае мы не можем гарантировать, что не существует ничего, кроме квантовой теории поля, физики элементарных частиц или Стандартной модели. Как объяснялось в главе 1, под видимой сегодня картиной могут скрываться новые факты, действие которых проявляется только на следующих энергетических уровнях или при еще более точных измерениях. Поскольку нам не удалось пока экспериментально исследовать соответствующие диапазоны расстояний и энергий, ответа на этот вопрос у нас нет.

Эксперименты на БАКе проходят при более высоких энергиях, чем все, что нам удавалось получить до сих пор, и потому открывают для нас новые возможности — возможности открытия новых частиц или взаимодействий непосредственно, путем наблюдений, а не через косвенные эффекты, которые можно зарегистрировать лишь при самых точных измерениях. По всей видимости, измерения на БАКе не достигнут энергий достаточно высоких, чтобы на них проявились отклонения от квантовой теории поля. Но не исключено, что они помогут обнаружить другие явления, которые могли бы предсказать отклонения от прогнозов Стандартной модели; не исключено, что это коснется даже точно измеренного магнитного момента электрона.