Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Это было великое научное открытие, но его вряд ли можно назвать большой наукой. Экспериментальная группа Резерфорда состояла из одного аспиранта и одного научного сотрудника. В поддержку своей работы они получили грант Лондонского королевского общества в размере всего £70. Самым дорогим элементом экспериментальной установки был радий, однако Резерфорду даже не пришлось за него платить — радий одолжила Австрийская академия наук.

Вскоре ядерная физика стала масштабнее. Заряженные частицы, которые в эксперименте Резерфорда испускал радий, не обладали достаточной энергией, чтобы преодолеть силу электрического отталкивания ядер золота и проникнуть в сами ядра. Чтобы пробраться внутрь ядер и выяснить, что они из себя представляют, в 1930-е гг. физиками были изобретены циклотроны и другие устройства, разгоняющие заряженные частицы до высоких энергий. Ныне покойный Морис Гольдхабер, возглавлявший когда-то Брукхейвенскую национальную лабораторию, вспоминал: «Первым, кто сумел развалить ядро, был Резерфорд. Есть его фотография, где он держит экспериментальный прибор на коленях. Я теперь всегда вспоминаю недавнюю фотографию, на которой изображен один из знаменитых циклотронов, построенный в Беркли, и вся команда, расположившаяся на нем».

После Второй мировой войны строительство ускорителей возобновилось, только теперь с новой целью. Наблюдая за космическим излучением, физики обнаружили некоторый набор элементарных частиц, отличавшихся от тех, которые есть в обычных атомах. Для исследования этого нового типа материи было необходимо искусственно создавать такие частицы в огромных количествах. Физикам нужно было ускорять пучки обычных частиц, например протонов (ядер атома водорода), до высоких энергий, чтобы при столкновении протонов с атомами неподвижной мишени их энергия могла быть преобразована в массы частиц новых типов. Дело тут не в установке рекордов мощности ускорителей и даже не в коллекционировании все новых и новых экзотических видов частиц (как орхидей). Цель создания подобных ускорителей состоит в том, чтобы, получая новые виды материи, изучать законы природы, которые описывают все формы материи. И хотя многие физики предпочитают работать в стиле Резерфорда с экспериментами малых масштабов, логика исследований вынуждает физику переходить на новый уровень.

В 1959 г. я стал научным сотрудником Радиационной лаборатории в Беркли. В то время Университет в Беркли располагал самым мощным в мире ускорителем, Беватроном, который занимал целое большое здание на холме, возвышавшемся над кампусом. Беватрон был разработан специально для ускорения протонов до энергий, достаточных для создания антипротонов, и получение антипротонов ни для кого не стало сюрпризом. Удивительным было то, что вместе с антипротонами также были получены сотни типов новых крайне нестабильных частиц. Этих новых типов частиц оказалось так много, что возникло сомнение, можно ли считать их элементарными и действительно ли мы понимаем, что такое элементарная частица. Все это сильно сбивало с толку, но и вдохновляло тоже.

После 10 лет работы на Беватроне стало понятно, что для осмысления полученных результатов потребуется новое поколение ускорителей частиц высоких энергий. Эти новые ускорители должны быть огромными, а потому их невозможно разместить в лаборатории на холмах Беркли. Кроме того, многие из них потребуют большой команды исследователей и уже не смогут управляться силами одного университета. Однако если для Беркли это был кризисный момент, то для физики — нет. Новые ускорители были построены в лаборатории Фермилаб [110] Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми расположена в городке Батавия недалеко от Чикаго. — Прим. пер. в пригороде Чикаго, в CERN недалеко от Женевы и в других лабораториях США и Европы. Ускорители были слишком большими, их невозможно было разместить в здании, поэтому теперь они стали атрибутами ландшафта. Длина нового ускорителя в Фермилаб достигала почти 6,5 км. На территории восстановленных прерий Иллинойса, где расположен ускоритель, пасется стадо бизонов.

К середине 1970-х гг. работа экспериментаторов в этих лабораториях и теоретиков, использующих собранные данные, привела к появлению полной, а теперь еще и многократно проверенной теории частиц и взаимодействий, получившей название Стандартной модели. Согласно этой теории, существует несколько типов элементарных частиц. Есть сильно взаимодействующие кварки, из которых состоят протоны и нейтроны атомных ядер, а также большая часть новых частиц, открытых в 1950–1960-х гг. Есть слабо взаимодействующие частицы, названные лептонами, прообразом которых является электрон. Есть частицы, обмен которыми между кварками и лептонами приводит к различным типам взаимодействий. К этому типу переносящих взаимодействия частиц относятся: фотон, частица света, ответственная за электромагнитное взаимодействие; близкородственные частицы W и Z, отвечающие за слабое ядерное взаимодействие, благодаря которому кварки или лептоны одного вида могут превращаться в частицы другого вида; и безмассовые глюоны, посредством которых осуществляется сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протонов и нейтронов.

Успех Стандартной модели, очевидно, не означает конца истории. Во-первых, значения массы кварков и лептонов в этой теории получаются из эксперимента, а не рассчитываются из первых принципов. Мы уже десятилетиями смотрим на список этих масс и чувствуем, что должны понять его, но пока он кажется бессмысленным. Это как если бы мы пытались прочитать надпись, сделанную на утерянном языке, например, с помощью линейного письма А [111] Разновидность критского письма, открытая в конце XIX в. А. Эвансом. Несмотря на многочисленные попытки расшифровать надписи, сделанные на линейном письме А, язык до сих пор остается непонятным. — Прим. пер. . Кроме того, некоторые ужасно интересные вещи не входят в Стандартную модель, например гравитация и темная материя, на которую, как говорят астрономы, приходится до 5/6 всей материи Вселенной.

Так что теперь мы ждем результатов от нового ускорителя в CERN, который, как мы надеемся, позволит сделать следующий шаг в развитии Стандартной модели. Речь идет о Большом адронном коллайдере. Он представляет собой подземный кольцевой туннель длиной 26,6 км на границе Швейцарии и Франции. В нем два пучка протонов разгоняются в противоположных направлениях до энергий, которые со временем достигнут 7 ТэВ в каждом пучке, а это примерно в 7500 раз больше энергии, сосредоточенной в массе протона. Пучки сталкиваются в нескольких специальных местах кольца, где установлены детекторы, имеющие массу военного крейсера времен Второй мировой войны. Детекторы предназначены для обнаружения различных частиц, образующихся в результате столкновений.